JP5560736B2 - Fuel cell - Google Patents

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Description

本発明は、触媒金属担持カーボンを使用する燃料電池に関する。 The present invention relates to a fuel cell using catalytic metal-supported carbon.

従来より、カーボン粒子の表面にPt等の触媒金属が担持された触媒金属担持カーボンは、電気化学の分野における電極材料として、様々に利用されている。   Conventionally, catalytic metal-supported carbon in which a catalytic metal such as Pt is supported on the surface of carbon particles has been used in various ways as an electrode material in the field of electrochemistry.

例えば、燃料電池の触媒層には、カーボン粒子の表面にPt等の触媒金属が担持された触媒金属担持カーボンが用いられており、水素や酸素の電気化学的反応を円滑に進行させるという重要な役割を担っている(例えば特許文献1、2)。   For example, the catalyst layer of a fuel cell uses a catalyst metal-supported carbon in which a catalyst metal such as Pt is supported on the surface of carbon particles, which is important for promoting an electrochemical reaction of hydrogen or oxygen smoothly. It plays a role (for example, Patent Documents 1 and 2).

また、本発明者らは、リチウムイオン電池の正極物質に触媒金属担持カーボンを混合することによって、充放電電流を大きくすることができることを見出し、これを利用したリチウムイオン電池について、既に特許出願を行なっている(特願2008−237350)。   Further, the present inventors have found that the charge / discharge current can be increased by mixing the catalyst metal-supported carbon with the positive electrode material of the lithium ion battery, and a patent application has already been filed for a lithium ion battery using this. (Japanese Patent Application No. 2008-237350).

特開2006−277992号公報JP 2006-277792 A 特開2003−308849号公報JP 2003-308849 A

しかし、従来の触媒金属担持カーボンは、高電位において触媒金属を担持しているカーボンが電気化学的酸化反応を起こすおそれがあった。   However, the conventional catalyst metal-supporting carbon may cause an electrochemical oxidation reaction of the carbon supporting the catalyst metal at a high potential.

このため、例えば、電位シフト現象(すなわち、燃料電池の面内で部分的に水素供給が不足したときに、正極電位が、通常の動作電位である1V以下(vs SHE)を大幅に超える電位が観測される。場合によっては1.5V以上にも達する現象)が起こった場合(電位シフト現象は、りん酸型の燃料電池において知られているが、発明者らは固体高分子燃料電池においても同様の現象が発生することを確認している)に、触媒金属担持カーボンが高電位にさらされて、変質し、触媒活性が低下するおそれがあった。   For this reason, for example, a potential shift phenomenon (that is, when the hydrogen supply is partially insufficient in the plane of the fuel cell, the potential at which the positive electrode potential greatly exceeds the normal operating potential of 1 V or less (vs SHE)) In some cases, a phenomenon that reaches 1.5 V or more occurs (potential shift phenomenon is known in phosphoric acid type fuel cells, but the inventors have also found in solid polymer fuel cells. It has been confirmed that the same phenomenon occurs), but the catalytic metal-supported carbon is exposed to a high potential, and it may be altered and the catalytic activity may be reduced.

また、このような電位シフト現象は、Liイオン電池やナトリウムイオン電池でも起こることが知られており、正極活物質に入れた導電剤としてのカーボンの酸化が問題となると懸念される。さらには、リチウムイオン電池において、本願出願人が、先に行なった特願2008−237350に記載されているように、正極物質に触媒金属担持カーボンを混合することにより充放電電流を大きくしようとした場合、正極物質が高い電位で充電されるような場合(例えばLiCoPOF等)には、カーボンのグラファイト構造が電気化学的に酸化され、変質するという問題があった。このため、正極における充放電を円滑に行うことができず、正極物質が大きなエネルギー密度を有するにもかかわらず、それを有効に活用することが困難であった。 Further, such a potential shift phenomenon is known to occur also in a Li ion battery or a sodium ion battery, and there is a concern that oxidation of carbon as a conductive agent contained in a positive electrode active material becomes a problem. Furthermore, in the lithium ion battery, the applicant of the present application tried to increase the charge / discharge current by mixing the catalyst metal-supported carbon with the positive electrode material as described in Japanese Patent Application No. 2008-237350 filed earlier. In this case, when the positive electrode material is charged at a high potential (for example, Li 2 CoPO 4 F), there is a problem that the graphite structure of carbon is electrochemically oxidized and deteriorated. For this reason, charging / discharging in a positive electrode cannot be performed smoothly, but it was difficult to utilize it effectively, although the positive electrode substance has a large energy density.

本発明は、上記従来の実情に鑑みてなされたものであり、触媒金属担持カーボンが高電位にさらされてもカーボンや溶媒が安定で変質し難く、触媒活性が低下し難い触媒金属担持カーボンを提供することを解決すべき課題としている。   The present invention has been made in view of the above-described conventional situation, and a catalytic metal-supporting carbon in which carbon and a solvent are stable and hardly deteriorated even when the catalytic metal-supporting carbon is exposed to a high potential, and the catalytic activity is hardly reduced. Providing is a problem to be solved.

本発明に用いる触媒金属担持カーボンは、導電性ダイヤモンドライクカーボンであることを特徴とする。 Catalytic metal supporting carbon used in the present invention is characterized in that a conductive diamond-like carbon emissions.

本発明に用いる触媒金属担持カーボンでは、触媒金属を担持させているカーボンに、導電性ダイヤモンドライクカーボンを用いている。導電性ダイヤモンドライクカーボンやグラッシーカーボンは、水系溶媒において、グラファイトよりも広い電位窓を有している。また、リチウムイオン電池の電解液のような非水溶媒系電解液においても、グラファイトよりも広い電位窓を有している。このため、燃料電池の触媒層のように水系で用いた場合や、リチウムイオン電池のように、非水溶液系の電解液で用いた場合においても、カーボンが安定に存在でき、カーボンに担持された触媒金属上で円滑な電気化学的反応を進行させることができる。また、高い電位まで溶媒を分解するおそれも少ない。 The catalytic metal supporting carbon used in the present invention, the carbon that is carrying a catalyst metal and a conductive diamond-like carbon emissions. Conductive diamond-like carbon or glassy carbon has a wider potential window than graphite in an aqueous solvent. Also, non-aqueous solvent electrolytes such as lithium ion battery electrolytes have a wider potential window than graphite. Therefore, even when used in an aqueous system such as a catalyst layer of a fuel cell, or when used in a non-aqueous electrolyte solution such as a lithium ion battery, carbon can stably exist and is supported on the carbon. A smooth electrochemical reaction can proceed on the catalytic metal. In addition, there is little risk of decomposing the solvent to a high potential.

カーボンブラック及び熱処理してグラファイト化したカーボンブラックの希硫酸中におけるサイクリックボルタモグラムである。It is a cyclic voltammogram in the dilute sulfuric acid of carbon black and carbon black graphitized by heat treatment. 各種電極の希硫酸中でのサイクリックボルタモグラムである。It is a cyclic voltammogram in the dilute sulfuric acid of various electrodes. 実験例1〜3及び比較例1〜3のリチウム電池用正極のLiPFを溶解したリチウムイオン電池用電解液中での電極の電位−電流曲線である。Potential of the electrode in the Experimental Examples 1 to 3 and a lithium-ion battery electrolyte solution obtained by dissolving LiPF 6 in the positive electrode for lithium batteries of Comparative Examples 1 to 3 - a current curve. 実験例1、3及び比較例1〜3のリチウム電池用正極のLiBFを溶解したリチウムイオン電池用電解液中での電極の電位−電流曲線である。Potential of the electrode in the experimental examples 1, 3 and a lithium-ion battery electrolyte solution obtained by dissolving the positive electrode LiBF 4 and for lithium batteries of Comparative Examples 1 to 3 - a current curve. 実験例1及び比較例1〜3のリチウム電池用正極のLiTFSIを溶解したリチウムイオン電池用電解液中での電極の電位−電流曲線である。It is the electric potential-current curve of the electrode in the electrolyte solution for lithium ion batteries which melt | dissolved LiTFSI of the positive electrode for lithium batteries of Experimental example 1 and Comparative Examples 1-3. 参考例1及び実験例1の電極の電位−電流曲線である。 3 is a potential-current curve of electrodes of Reference Example 1 and Experimental Example 1. 実施例の燃料電池の電池特性を示すグラフである。2 is a graph showing cell characteristics of the fuel cell of Example 1. FIG.

本発明では触媒金属を担持するカーボンとして、導電性ダイヤモンドライクカーボンを用いる。 In the present invention as the carbon carrying the catalyst metal, a conductive diamond-like carbon emissions.

導電性ダイヤモンドライクカーボンとは、ダイヤモンド結合(炭素同士のSP混成軌道結合)とグラファイト結合(炭素同士のSP混成軌道結合)の両方の結合が混在しているアモルファス構造をとるカーボンのうち、導電性が1000Ωcm以下のものをいう。ただし、アモルファス構造以外に、部分的にグラファイト構造からなる結晶構造(すなわちSP混成軌道結合からなる六方晶系結晶構造)からなる相を有し、これにより導電性が発揮されるものも含まれる。グラファイトとダイヤモンドの中間の性質を有するダイヤモンドライクカーボンは、成膜時にダイヤモンドライクカーボンを構成する炭素原子のSP混成軌道結合とSP混成軌道結合の比率を調整することで、導電性を調節することができる。
なお、この明細書及び図面では、上記導電性ダイヤモンドライクカーボンを単に「ダイヤモンドライクカーボン」と記載することがある。
Conductive diamond-like carbon is a carbon having an amorphous structure in which both diamond bonds (SP 3 hybrid orbital bonds between carbons) and graphite bonds (SP 2 hybrid orbital bonds between carbons) are mixed. The conductivity is 1000 Ωcm or less. However, in addition to the amorphous structure, those having a phase composed of a crystal structure partially composed of a graphite structure (that is, a hexagonal crystal structure composed of SP 2 hybrid orbital bonds) and thereby exhibiting conductivity are also included. . Diamond-like carbon having properties intermediate between graphite and diamond adjusts the conductivity by adjusting the ratio of SP 2 hybrid orbital bonds and SP 3 hybrid orbital bonds of the carbon atoms constituting diamond-like carbon during film formation. be able to.
In the specification and drawings, the conductive diamond-like carbon may be simply referred to as “diamond-like carbon”.

また、グラッシーカーボンとは、カーボンが還元性雰囲気下の高温で変性して生じるガラス状のカーボンをいう。   Further, glassy carbon refers to glassy carbon that is generated when carbon is denatured at a high temperature in a reducing atmosphere.

水系電解液中において、導電性ダイヤモンドライクカーボンやグラッシーカーボンは、カーボンブラックやグラファイトよりもはるかに広い電位窓を有している。例えば、Carbon,vol.11,403(1973)では、触媒用カーボン担体としてよく用いられているカーボンブラック(Vulcan XC−72)を電極とし、2規定硫酸中でのサイクリックボルタモグラフを測定した結果が示されており(図1(a)参照)、標準水素電極基準で0.05V〜1.0V程度の狭い電位窓しか有していない。また、このカーボンブラックを2700℃で熱処理してグラファイト構造としたものでは電位窓の範囲は若干広がるが、それでも、0.05〜1.2V程度である。(図1(b)参照)。   In aqueous electrolytes, conductive diamond-like carbon and glassy carbon have a much wider potential window than carbon black and graphite. For example, Carbon, vol. 11, 403 (1973) shows the results of measuring a cyclic voltammograph in 2N sulfuric acid using carbon black (Vulcan XC-72), which is often used as a catalyst carbon support, as an electrode. (See FIG. 1 (a)), it has only a narrow potential window of about 0.05V to 1.0V with respect to the standard hydrogen electrode. In addition, when the carbon black is heat-treated at 2700 ° C. to have a graphite structure, the range of the potential window is slightly widened, but it is still about 0.05 to 1.2V. (See FIG. 1 (b)).

これに対し、ダイヤモンドライクカーボンやグラッシーカーボンは、図2に示すように、カーボンブラックやグラファイトよりもはるかに広い電位窓を有している(平成8年度開始 未来開拓学術推進事業研究プロジェクト資料)。このため、ダイヤモンドライクカーボンやグラッシーカーボンに触媒金属を担持させたものは、高い電位においても安定に存在できる。このため、例えば、これを燃料電池の触媒層に用いれば、電位シフト現象という異常現象を起こして高電位となった場合にも、触媒層のカーボンが変質し難くなり、担持された触媒金属上で円滑な電気化学的反応を進行させることができる。   In contrast, diamond-like carbon and glassy carbon, as shown in Fig. 2, have a much wider potential window than carbon black and graphite (started in 1996, Research Project for Future Development Science Promotion Project). For this reason, diamond-like carbon or glassy carbon loaded with a catalytic metal can exist stably even at a high potential. For this reason, for example, if this is used for a catalyst layer of a fuel cell, even if an abnormal phenomenon called a potential shift phenomenon occurs and the potential becomes high, the carbon of the catalyst layer becomes difficult to change and And a smooth electrochemical reaction can proceed.

一方、本発明に用いる触媒金属担持カーボンに担持されている触媒金属としては、電気化学反応の触媒としての機能を有する金属であれば特に限定はない。例えばPt、Ru、Rh、Pd、Ag、Ir、Au、Ni、Cu等が挙げられる。これらは、単独で用いても良いし、これらの合金であっても良い。 On the other hand, the catalyst metal supported on the catalyst metal-supporting carbon used in the present invention is not particularly limited as long as it is a metal having a function as an electrochemical reaction catalyst. For example, Pt, Ru, Rh, Pd, Ag, Ir, Au, Ni, Cu, etc. are mentioned. These may be used alone or an alloy thereof.

<実験例>
以下、本発明に用いる触媒金属担持カーボンの発明の効果について立証するため、様々な導電性物質粉体をPTFE粉体と混合してホットプレス法によって円盤状電極を作製し、電位−電流曲線を測定した。
<Experimental example>
Hereinafter, in order to prove the effect of the invention of the catalytic metal-supported carbon used in the present invention, various conductive substance powders are mixed with PTFE powder to produce a disk-shaped electrode by a hot press method, and a potential-current curve is obtained. It was measured.

(実験例1)
実験例1では、グラッシーカーボン粉砕品(平均粒径0.5μm)とPTFE粉体とを80:20の重量比で混合し、ホットプレスによって8mmφの円盤状の電極を作製した。
(Experimental example 1)
In Experimental Example 1, a glassy carbon pulverized product (average particle size 0.5 μm) and PTFE powder were mixed at a weight ratio of 80:20, and an 8 mmφ disk-shaped electrode was produced by hot pressing.

(実験例2)
実験例2では、グラッシーカーボン(平均粒径8μm)とPTFE粉体とを80:20の重量比で混合し、ホットプレスによって8mmφの円盤状の電極を作製した。
(Experimental example 2)
In Experimental Example 2, glassy carbon (average particle size 8 μm) and PTFE powder were mixed at a weight ratio of 80:20, and a disk-shaped electrode of 8 mmφ was produced by hot pressing.

(実験例3)
実験例3では、ダイヤモンドライクカーボン粉末(平均粒径0.03μm)とPTFE粉体とを80:20の重量比で混合し、ホットプレスによって8mmφの円盤状の電極を作製した。
(Experimental example 3)
In Experimental Example 3, diamond-like carbon powder (average particle size 0.03 μm) and PTFE powder were mixed at a weight ratio of 80:20, and a disk-shaped electrode of 8 mmφ was produced by hot pressing.

(比較例1)
比較例1は、市販のグラッシーカーボン板そのものである
(Comparative Example 1)
Comparative Example 1 is a commercially available glassy carbon plate itself.

(比較例2)
比較例2では、アセチレンブラック(電気化学工業社製「HS−100」)とPTFE粉体とを80:20の重量比で混合し、ホットプレスによって8mmφの円盤状の電極を作製した。
(Comparative Example 2)
In Comparative Example 2, acetylene black (“HS-100” manufactured by Denki Kagaku Kogyo Co., Ltd.) and PTFE powder were mixed at a weight ratio of 80:20, and a disk-shaped electrode of 8 mmφ was produced by hot pressing.

(比較例3)
実験例3では、アセチレンブラック(電気化学工業社製「HS−100」)を真空中3000℃で3時間熱処理を行なったものとPTFE粉体とを80:20の重量比で混合し、ホットプレスによって8mmφの円盤状の電極を作製した。
(Comparative Example 3)
In Experimental Example 3, acetylene black (“HS-100” manufactured by Denki Kagaku Kogyo Co., Ltd.) was heat-treated at 3000 ° C. for 3 hours in a vacuum and PTFE powder were mixed at a weight ratio of 80:20, and hot pressing was performed. Thus, a disk-shaped electrode of 8 mmφ was produced.

<電位−電流曲線の測定>
上記のようにして作製した実験例1〜3及び比較例1〜3の電極について、リチウムイオン電池用電解液中で電位走査し、電位−電流曲線を測定した。電解液は次のように調製した。すなわち、エチレンカーボネートとジメチルカーボネートとセバコニトリルとを容量比で25:25:50となるように混合液を調製し、さらにリチウム電解質(LiPF、LiBF及びLiTFSIのいずれか)を1mol/Lとなるように溶解した溶液を電解液とし、三極式電解セル容器に入れた。
<Measurement of potential-current curve>
With respect to the electrodes of Experimental Examples 1 to 3 and Comparative Examples 1 to 3 prepared as described above, potential scanning was performed in an electrolyte solution for a lithium ion battery, and a potential-current curve was measured. The electrolytic solution was prepared as follows. That is, a mixed solution is prepared so that ethylene carbonate, dimethyl carbonate, and sebaconitrile are in a volume ratio of 25:25:50, and the lithium electrolyte (any one of LiPF 6 , LiBF 4, and LiTFSI) is 1 mol / L. The so-dissolved solution was used as an electrolytic solution and placed in a three-electrode electrolytic cell container.

電位−電流曲線の測定は、作用極として上記電極(面積1.0cm)、対極として白金網、参照電極としてLi金属を用いた。掃引速度は5mV/secとした。 In the measurement of the potential-current curve, the above electrode (area 1.0 cm 2 ) was used as a working electrode, a platinum net as a counter electrode, and Li metal as a reference electrode. The sweep speed was 5 mV / sec.

結果を図3〜図5に示す。
(LiPFを溶解したリチウムイオン電池用電解液中での測定結果)
その結果、図3に示すように、ダイヤモンドライクカーボンを用いた実験例1の電極及びグラッシーカーボン粉末を用いた実験例2、3では、比較例1のグラッシーカーボン板電極よりも広い電位窓を有していることが分かった。これに対して、カーボンブラックをそのまま電極とした比較例2では、電位窓が狭く、カーボンブラックを熱処理してグラファイト化した比較例3においても、電位窓が多少広がったものの、4Vを超えると酸化電流が流れ出し、実験例1〜3と比較して電位窓が狭いことが分かった。
The results are shown in FIGS.
(Measurement results in an electrolyte solution for lithium ion batteries in which LiPF 6 was dissolved)
As a result, as shown in FIG. 3, the electrodes of Experimental Example 1 using diamond-like carbon and Experimental Examples 2 and 3 using glassy carbon powder have a wider potential window than the glassy carbon plate electrode of Comparative Example 1. I found out that In contrast, in Comparative Example 2 in which carbon black was used as an electrode as it was, the potential window was narrow, and in Comparative Example 3 in which carbon black was heat-treated and graphitized, the potential window was slightly widened, but oxidation exceeded 4 V. It turned out that an electric current began to flow and the potential window was narrower than those of Experimental Examples 1 to 3.

(LiBFを溶解したリチウムイオン電池用電解液中での測定結果)
また、図4に示すように、LiBFを溶解したリチウムイオン電池用電解液中においても、ダイヤモンドライクカーボン粉末を用いた実験例3の電極及びグラッシーカーボン粉を用いた実験例1の電極は、LiPFを溶解したリチウムイオン電池用電解液中での測定と同様、広い電位窓を有することが分かった。
(Measurement results in an electrolyte solution for lithium ion batteries in which LiBF 4 is dissolved)
Further, as shown in FIG. 4, the electrode of Experimental Example 3 using diamond-like carbon powder and the electrode of Experimental Example 1 using glassy carbon powder in the electrolyte solution for lithium ion batteries in which LiBF 4 was dissolved Similar to the measurement in the lithium ion battery electrolyte in which LiPF 6 was dissolved, it was found to have a wide potential window.

(LiTFSIを溶解したリチウムイオン電池用電解液中での測定結果)
さらに、図5に示すように、LiTFSIを溶解したリチウムイオン電池用電解液中での測定においても、グラッシーカーボン粉を用いた実験例1の電極は、広い電位窓を有することが分かった。また、LiPF及びLiBFを溶解したリチウムイオン電池用電解液中での測定結果では、グラッシーカーボン、ダイヤモンドライクカーボン共に電位窓が広いことから、TFSIの場合でもダイヤモンドライクカーボンの電位窓が広いと推定される。
(Measurement results in an electrolyte solution for lithium ion batteries in which LiTFSI is dissolved)
Furthermore, as shown in FIG. 5, it was found that the electrode of Experimental Example 1 using the glassy carbon powder had a wide potential window even in the measurement in the electrolyte solution for lithium ion batteries in which LiTFSI was dissolved. In addition, in the measurement results in the electrolyte solution for lithium ion batteries in which LiPF 6 and LiBF 4 are dissolved, both the glassy carbon and the diamond-like carbon have a wide potential window. Therefore, even in the case of TFSI, the diamond-like carbon has a wide potential window. Presumed.

以上の結果から、リチウムイオン電池の正極物質に触媒金属担持カーボンを混合することによって、充放電電流を大きくさせようとした場合において、カーボンをグラッシーカーボン粉末やダイヤモンドライクカーボン粉末とすれば、リチウムイオン電池用の充電時に高い電位とされる正極においても、分解されることなく、溶媒を分解するおそれも少ないことが分かる。そして、この結果から、高い電位で充電反応が行われるエネルギー密度の高い正極活物質を有効に活用できることが分かる。   From the above results, in the case where the charge / discharge current is increased by mixing the catalyst metal-supporting carbon with the positive electrode material of the lithium ion battery, if the carbon is a glassy carbon powder or a diamond-like carbon powder, the lithium ion It can be seen that even in a positive electrode that is set to a high potential during battery charging, there is little possibility of decomposing the solvent without being decomposed. From this result, it can be seen that a positive electrode active material having a high energy density in which a charging reaction is performed at a high potential can be effectively utilized.

<触媒金属担持カーボンの調製>
本発明に用いる触媒金属担持カーボンは、導電性ダイヤモンドライクカーボン粉末を、前述の特開2003−308849号公報に記載の方法と同様の金属担持方法を適用することにより、容易に調製することができる。すなわち、まず、市販の導電性ダイヤモンドライクカーボン粉末を用意し、それらの粉末を白金濃度2.2wt%のジニトロジアンミン白金硝酸溶液に浸漬する。そして、充分攪拌した後、還元剤として100%エタノールを添加する。そして、この溶液を撹拌しながら6時間還流し、濾過し、乾燥させる。こうして、白金担持導電性ダイヤモンドライクカーボンを容易に得ることができる。また、さらに、この白金担持導電性ダイヤモンドライクカーボンを塩化ルテニウム溶液100gに浸漬した後、同様の操作を行なうことにより、白金及びルテニウムがダイヤモンドライクカーボンが担持された二元系触媒金属担持カーボンを得ることもできる。
参考例1)
<Preparation of catalytic metal-supported carbon>
Catalytic metal supporting carbon used in the present invention, the conductive diamond-like carbon Powder, by applying the same metal loading procedure described in JP 2003-308849 Laid described above, be readily prepared it can. That is, first, prepared commercial conductive diamond-like carbon Powder, immersing them powder dinitrodiammineplatinum nitric acid solution of platinum concentration 2.2 wt%. And after fully stirring, 100% ethanol is added as a reducing agent. The solution is then refluxed for 6 hours with stirring, filtered and dried. Thus, it is possible to obtain a platinum-supported conductive diamond-like carbon emissions easily. Also, further, the supported platinum conductive diamond-like carbon emissions after immersion in ruthenium chloride solution 100 g, by performing the same operation, platinum and ruthenium supported is diamond-like carbon emissions were binary catalytic metal-supported carbon You can also get
( Reference Example 1)

以下、触媒金属担持カーボンを具体化した参考例1について述べる。
参考例1では、まず粉砕機で粉砕したグラッシーカーボン粉末を用意し、このグラッシーカーボン粉末に対して、上述した方法によって白金を担持させた。こうして得られた白金担持グラッシーカーボン粉末(平均粒径0.5μm)とPTFE粉体とを80:20の重量比で混合し、ホットプレスによって8mmφの円盤状の電極を作製した。
Hereinafter, we described in Reference Example 1 embodying the medium metal-supported carbon catalyst.
In Reference Example 1, first, a glassy carbon powder pulverized by a pulverizer was prepared, and platinum was supported on the glassy carbon powder by the method described above. The platinum-supported glassy carbon powder (average particle size 0.5 μm) thus obtained and PTFE powder were mixed at a weight ratio of 80:20, and a disk-shaped electrode of 8 mmφ was produced by hot pressing.

<電位−電流曲線の測定>
上記のようにして作製した参考例1の電極について、リチウムイオン電池用電解液中で電位走査し、電位−電流曲線を測定した。電解液は次のように調製した。すなわち、エチレンカーボネートとジメチルカーボネートとセバコニトリルとを容量比で25:25:50となるように混合液を調製し、さらにLiBFを1mol/Lとなるように溶解した溶液を電解液とし、三極式電解セル容器に入れた。
<Measurement of potential-current curve>
The electrode of Reference Example 1 produced as described above was subjected to potential scanning in an electrolyte for a lithium ion battery, and a potential-current curve was measured. The electrolytic solution was prepared as follows. That is, a mixed solution was prepared such that ethylene carbonate, dimethyl carbonate, and sebaconitrile were in a volume ratio of 25:25:50, and a solution in which LiBF 4 was dissolved to 1 mol / L was used as an electrolytic solution. Placed in an electrolytic cell container.

電位−電流曲線の測定は、上記実験例及び比較例での測定と同様であり、説明を省略する。   The measurement of the potential-current curve is the same as the measurement in the experimental example and the comparative example, and the description is omitted.

その結果、図6に示すように、白金担持グラッシーカーボン粉末を用いた参考例1の電極は、白金を担持していないグラッシーカーボン粉末を用いた実験例1よりも少し電流は大きくなったものの、ほぼ同様の広い電位窓を有していた。 As a result, as shown in FIG. 6, although the electrode of Reference Example 1 using platinum-supported glassy carbon powder had a slightly larger current than Experimental Example 1 using glassy carbon powder not supporting platinum, It had almost the same wide potential window.

以上の結果から、リチウムイオン電池の正極物質に触媒金属担持カーボンを混合することによって、充放電電流を大きくさせようとした場合において、カーボンをグラッシーカーボン粉末とすれば、リチウムイオン電池用の充電時に高い電位とされる正極においても、分解されることなく、溶媒を分解するおそれも少ないことが分かった。そして、この結果から、高い電位で充電反応が行われるエネルギー密度の高い正極活物質を有効に活用できることが分かった。
(実施例
From the above results, in the case where the charge / discharge current is increased by mixing the catalytic metal-supporting carbon with the positive electrode material of the lithium ion battery, if the carbon is made into a glassy carbon powder, the charge for the lithium ion battery can be reduced. It was found that the positive electrode having a high potential was not decomposed and there was little possibility of decomposing the solvent. From this result, it was found that a positive electrode active material having a high energy density in which a charging reaction is performed at a high potential can be effectively used.
(Example 1 )

実施例では、ダイヤモンドライクカーボン粉末に白金を担持させ、これを燃料電池用に適用した。
すなわち、ダイヤモンドライクカーボン粉末(平均粒径0.03μm)を用意し、このダイヤモンドライクカーボン粉末に対し特開2003−308849号公報に記載の方法で白金を担持した。すなわち、白金溶液として、白金濃度2.2wt%のジニトロジアンミン白金硝酸溶液を900g(白金含有量:20g)にダイヤモンドライクカーボン粉末を30g浸漬させ攪拌後、還元剤として100%エタノールを100ml添加した。この溶液を沸点(約95℃)で6時間、攪拌、混合し、白金を炭素粉末に担持させた。そして、濾過、乾燥後白金担持ダイヤモンドライクカーボンとした。
こうして得られた白金担持ダイヤモンドライクカーボンとナフィオン溶液を混合し空気極電極とした。また、水素極は通常の白金担持カーボンとナフィオン溶液を混合し水素極電極とした。ガス拡散層/水素極/ナフィオン膜/空気極/ガス拡散層の順で積層し、ホットプレスし、膜−電極複合体(MEA)化した。
In Example 1 , platinum was supported on diamond-like carbon powder, and this was applied to a fuel cell.
That is, a diamond-like carbon powder (average particle size 0.03 μm) was prepared, and platinum was supported on the diamond-like carbon powder by the method described in JP-A-2003-308849. That is, as a platinum solution, 30 g of diamond-like carbon powder was immersed in 900 g (platinum content: 20 g) of a dinitrodiammine platinum nitric acid solution having a platinum concentration of 2.2 wt%, and then 100 ml of 100% ethanol was added as a reducing agent. This solution was stirred and mixed at the boiling point (about 95 ° C.) for 6 hours, and platinum was supported on the carbon powder. Then, after filtration and drying, platinum-supported diamond-like carbon was obtained.
The platinum-supported diamond-like carbon thus obtained and a Nafion solution were mixed to form an air electrode. The hydrogen electrode was prepared by mixing ordinary platinum-supporting carbon and Nafion solution. A gas diffusion layer / a hydrogen electrode / a Nafion membrane / an air electrode / a gas diffusion layer were laminated in this order and hot-pressed to form a membrane-electrode assembly (MEA).

<燃料電池の特性評価>
上記水素極に加湿水素、上記空気極に加湿空気を導入したときの電池特性を図7に示す。この図から、ダイヤモンドライクカーボンは燃料電池の触媒担体として使用できることがわかる。ダイヤモンドライクカーボンはカーボンブラックや活性炭よりも遥かに電位窓が広いため、電位シフト現象に対する耐久性に優れている。同様の効果は、ダイヤモンドライクカーボンの替わりにグラッシーカーボン粉末を担体として使用しても、得られることは当業者の技術常識から当然に推測される。
<Evaluation of fuel cell characteristics>
FIG. 7 shows battery characteristics when humidified hydrogen is introduced into the hydrogen electrode and humidified air is introduced into the air electrode. From this figure, it can be seen that diamond-like carbon can be used as a catalyst support for fuel cells. Since diamond-like carbon has a much wider potential window than carbon black and activated carbon, it has excellent durability against the potential shift phenomenon. It is naturally inferred from the technical common knowledge of those skilled in the art that the same effect can be obtained even when glassy carbon powder is used as a carrier instead of diamond-like carbon.

この発明に用いる触媒金属担持カーボンはリチウムイオン電池やナトリウムイオン電池等の二次電池に適用される。ここに、リチウムイオン電池やナトリウムイオン電池等の二次電池は電解液、正極、負極、セパレータ及びケースを備えてなる。 The catalytic metal-supported carbon used in the present invention is also applied to secondary batteries such as lithium ion batteries and sodium ion batteries. Here, a secondary battery such as a lithium ion battery or a sodium ion battery includes an electrolytic solution, a positive electrode, a negative electrode, a separator, and a case.

(リチウムイオン電池用電解液)
リチウムイオン電池用電解液は、Li塩(電解質)と有機溶媒とを含んでいる。
Li塩には、Liイオン電池用の一般的なLi塩を用いることができる。例えば、LiPF(六フッ化リン酸リチウム)、LiBF(四フッ化ホウ酸リチウム)、LiTFSI(リチウムビス(トリフルオロメタンスルホニル)イミド)、LiTFS(トリフルオロメタンスルホン酸リチウム)、LiBETI(リチウムビス(ペンタフルオロエタンスルホニル)イミド)又はこれらの2種以上を用いることができる。
なかでも、正極の酸化還元電位が4.5V以上のものについては、LiPF、及び/又はLiBFを使用することが好ましい。また、LiTFSIやLiTFSやLiBETIを用いる場合、LiPF又はLiBFを添加することが好ましい。
(Electrolytic solution for lithium ion battery)
The electrolytic solution for a lithium ion battery contains a Li salt (electrolyte) and an organic solvent.
As the Li salt, a general Li salt for a Li ion battery can be used. For example, LiPF 6 (lithium hexafluorophosphate), LiBF 4 (lithium tetrafluoroborate), LiTFSI (lithium bis (trifluoromethanesulfonyl) imide), LiTFS (lithium trifluoromethanesulfonate), LiBETI (lithium bis ( Pentafluoroethanesulfonyl) imide) or two or more thereof can be used.
Among them, for those redox potential of the positive electrode is more than 4.5V, it is preferable to use LiPF 6, and / or LiBF 4. In the case of using a LiTFSI and LiTFS and LiBETI, it is preferable to add LiPF 6 or LiBF 4.

有機溶媒もLiイオン電池に用いられる一般的なものを採用できる。かかる有機溶媒としては環状炭酸エステル、環状カルボン酸エステル及び鎖状炭酸エステルの中から選ばれる1種、又は2種以上が好ましい。更に好ましくは、環状炭酸エステルと鎖状炭酸エステルとを併用する。具体的には、エチレンカーボネートとジメチルカーボネートとを併用することが特に好ましい。両者の配合割合は特に限定されない。環状カルボン酸エステルとしてはγ−ブチロラクトンを用いることができる。
更にはニトリル化合物を有機溶媒として用いることができる。ここで、ニトリル化合物としては、鎖式飽和炭化水素化合物の両末端にニトリル基が結合した鎖式飽和炭化水素ジニトリル化合物、鎖式エーテル化合物の末端の少なくとも一つにニトリル基が結合した鎖式エーテルニトリル化合物及びシアノ酢酸エステルのうち少なくとも一つのニトリル化合物を挙げることができる。
As the organic solvent, a general solvent used for a Li ion battery can be adopted. Such an organic solvent is preferably one or more selected from cyclic carbonates, cyclic carboxylic acid esters and chain carbonates. More preferably, a cyclic carbonate and a chain carbonate are used in combination. Specifically, it is particularly preferable to use ethylene carbonate and dimethyl carbonate in combination. The blending ratio of both is not particularly limited. As the cyclic carboxylic acid ester, γ-butyrolactone can be used.
Furthermore, a nitrile compound can be used as an organic solvent. Here, as the nitrile compound, a chain saturated hydrocarbon dinitrile compound in which a nitrile group is bonded to both ends of a chain saturated hydrocarbon compound, a chain ether in which a nitrile group is bonded to at least one terminal of a chain ether compound. Mention may be made of at least one nitrile compound among nitrile compounds and cyanoacetic acid esters.

鎖式飽和炭化水素化合物の両末端にニトリル基が結合した鎖式飽和炭化水素ジニトリル化合物としては、例えば、スクシノニトリルNC(CHCN、グルタロニトリルNC(CHCN、アジポニトリルNC(CHCN、セバコニトリルNC(CHCN、ドデカンジニトリルNC(CH10CNなどのような直鎖状のジニトリル化合物の他、2−メチルグルタロニトリルNCCH(CH)CHCHCN等のように分枝を有していても良い。これらの鎖式飽和炭化水素ジニトリル化合物は、炭素数は特に限定されないが20以下であることが好ましい。更に好ましくは7〜12である。 Examples of the chain saturated hydrocarbon dinitrile compound in which nitrile groups are bonded to both ends of the chain saturated hydrocarbon compound include succinonitrile NC (CH 2 ) 2 CN, glutaronitrile NC (CH 2 ) 3 CN, adiponitrile In addition to linear dinitrile compounds such as NC (CH 2 ) 4 CN, sebaconitrile NC (CH 2 ) 8 CN, dodecanedinitrile NC (CH 2 ) 10 CN, 2-methylglutaronitrile NCCH (CH 3 ) CH 2 CH 2 CN may have a branched as such. These chain saturated hydrocarbon dinitrile compounds are not particularly limited in carbon number, but are preferably 20 or less. More preferably, it is 7-12.

鎖式エーテル化合物の末端の少なくとも一つにニトリル基が結合した鎖式エーテルニトリル化合物としては、オキシジプロピオニトリルNCCHCH−O−CHCHCNや、3−メトキシプロピオニトリルCH−O−CHCHCN等が挙げられる。これらの鎖式エーテルニトリル化合物は、炭素数は特に限定されないが、20以下であることが好ましい。
シアノ酢酸エステルとしてはシアノ酢酸メチル、シアノ酢酸エチル、シアノ酢酸プロピル、シアノ酢酸ブチル等が挙げられる。これらのシアノ酢酸エステルは、炭素数は特に限定されないが、20以下であることが好ましい。
Examples of the chain ether nitrile compound in which a nitrile group is bonded to at least one end of the chain ether compound include oxydipropionitrile NCCH 2 CH 2 —O—CH 2 CH 2 CN and 3-methoxypropionitrile CH 3. -O-CH 2 CH 2 CN, and the like. These chain ether nitrile compounds are not particularly limited in carbon number, but are preferably 20 or less.
Examples of cyanoacetic acid esters include methyl cyanoacetate, ethyl cyanoacetate, propyl cyanoacetate, and butyl cyanoacetate. These cyanoacetic acid esters are not particularly limited in carbon number, but are preferably 20 or less.

これらニトリル化合物は電解液において電位窓を特に正方向に広げる作用を奏する。
電位窓を広げる作用の観点からジニトリル化合物が好ましい。中でも、セバコニトリルの採用が更に好ましい。
ただし、ニトリル化合物は粘度が高いので、上述の鎖状炭酸エステル、環状炭酸エステル及び/又は環状カルボン酸エステルと併用することが好ましい。更に好ましくはニトリル化合物と鎖状炭酸エステル及び環状炭酸エステルとを併用する。鎖状炭酸エステルとしてはジメチルカーボネートを採用することができ、環状炭酸エステルとしてはエチレンカーボネートを採用することができる。
この場合、有機溶媒全体に占めるニトリル化合物の配合割合は1〜90容量%とすることが好ましい。更に好ましくは5〜70容量%であり、更に更に好ましくは、10〜50容量%である。
These nitrile compounds have the effect of expanding the potential window particularly in the positive direction in the electrolytic solution.
A dinitrile compound is preferable from the viewpoint of the action of expanding the potential window. Of these, the use of sebacononitrile is more preferable.
However, since a nitrile compound has high viscosity, it is preferable to use together with the above-mentioned chain carbonate ester, cyclic carbonate ester, and / or cyclic carboxylic acid ester. More preferably, a nitrile compound, a chain carbonate ester and a cyclic carbonate ester are used in combination. Dimethyl carbonate can be employed as the chain carbonate, and ethylene carbonate can be employed as the cyclic carbonate.
In this case, the blending ratio of the nitrile compound in the whole organic solvent is preferably 1 to 90% by volume. More preferably, it is 5-70 volume%, More preferably, it is 10-50 volume%.

また、各種添加剤(例えば、ビニレンカーボネート、フルオロエチレンカーボネート、エチレンサルファイト)を0.1−3%程度入れることも好ましい。これにより、負極側で耐食性皮膜が形成され、耐食性が向上する。   Moreover, it is also preferable to add about 0.1 to 3% of various additives (for example, vinylene carbonate, fluoroethylene carbonate, ethylene sulfite). Thereby, a corrosion-resistant film is formed on the negative electrode side, and the corrosion resistance is improved.

Li塩の濃度は0.01mol/L以上であって、飽和状態よりも低い濃度とする。Li塩の濃度が0.01mol/L未満であると、Liイオンによるイオン伝導が小さくなり、電解液の電気抵抗が高くなるので好ましくない。他方、飽和状態を超えると、温度等の環境変化によって溶解しているLi塩が析出するので好ましくない。 The concentration of the Li salt is 0.01 mol / L or more and is lower than the saturated state. When the concentration of the Li salt is less than 0.01 mol / L, ion conduction by Li ions is reduced, and the electric resistance of the electrolytic solution is increased, which is not preferable. On the other hand, exceeding the saturation state is not preferable because the dissolved Li salt precipitates due to environmental changes such as temperature.

(ナトリウムイオン電池用電解液)
ナトリウムイオン電池用電解液はNa塩(電解質)と有機溶媒とを含んでいる。
Na塩には、従来からNaイオン電池用のNa塩として知られているものを用いることができる。例えば、例えば、NaClO、NaPF、NaBF、NaCFSO、NaN(CFSO、NaN(FSO、NaN(CSO、NaC(CFSO等が挙げられる。溶媒及び溶質の混合比は特に限定されず、目的に応じて適宜設定される。
また、各種添加剤(例えば、ビニレンカーボネート、フルオロエチレンカーボネート、エチレンサルファイト)を0.1−3%程度入れることも好ましい。これにより、負極側で耐食性皮膜が形成され、耐食性が向上する。
(Sodium ion battery electrolyte)
The electrolyte for sodium ion batteries contains Na salt (electrolyte) and an organic solvent.
As the Na salt, those conventionally known as Na salts for Na ion batteries can be used. For example, for example, NaClO 4 , NaPF 6 , NaBF 4 , NaCF 3 SO 3 , NaN (CF 3 SO 2 ) 2 , NaN (FSO 2 ) 2 , NaN (C 2 F 5 SO 2 ) 2 , NaC (CF 3 SO 2 ) 3 etc. are mentioned. The mixing ratio of the solvent and the solute is not particularly limited and is appropriately set according to the purpose.
Moreover, it is also preferable to add about 0.1 to 3% of various additives (for example, vinylene carbonate, fluoroethylene carbonate, ethylene sulfite). Thereby, a corrosion-resistant film is formed on the negative electrode side, and the corrosion resistance is improved.

有機溶媒もNaイオン電池に用いられる一般的なものを採用できる。かかる有機溶媒とし環状炭酸エステル、環状カルボン酸エステル及び鎖状炭酸エステルの中から選ばれる1種、又は2種以上が好ましい。更に好ましくは、環状炭酸エステルと鎖状炭酸エステルとを併用する。具体的には、エチレンカーボネートとジメチルカーボネートとを併用することが特に好ましい。両者の配合割合は特に限定されない。環状カルボン酸エステルとしはγ−ブチロラクトンやプロピレンカーボネートを用いることができる。
鎖状カーボネートは、ジメチルカーボネートのほかに、ジエチルカーボネートやエチルメチルカーボネートを使用することができる。
更にはニトリル化合物を有機溶媒として用いることができる。ここで、ニトリル化合物としては、鎖式飽和炭化水素化合物の両末端にニトリル基が結合した鎖式飽和炭化水素ジニトリル化合物、鎖式エーテル化合物の末端の少なくとも一つにニトリル基が結合した鎖式エーテルニトリル化合物及びシアノ酢酸エステルのうち少なくとも一つのニトリル化合物を挙げることができる。
As the organic solvent, a general one used for a Na ion battery can be adopted. As such an organic solvent, one kind or two or more kinds selected from cyclic carbonates, cyclic carboxylic acid esters and chain carbonates are preferable. More preferably, a cyclic carbonate and a chain carbonate are used in combination. Specifically, it is particularly preferable to use ethylene carbonate and dimethyl carbonate in combination. The blending ratio of both is not particularly limited. As the cyclic carboxylic acid ester, γ-butyrolactone or propylene carbonate can be used.
As the chain carbonate, in addition to dimethyl carbonate, diethyl carbonate or ethyl methyl carbonate can be used.
Furthermore, a nitrile compound can be used as an organic solvent. Here, as the nitrile compound, a chain saturated hydrocarbon dinitrile compound in which a nitrile group is bonded to both ends of a chain saturated hydrocarbon compound, a chain ether in which a nitrile group is bonded to at least one terminal of a chain ether compound. Mention may be made of at least one nitrile compound among nitrile compounds and cyanoacetic acid esters.

鎖式飽和炭化水素化合物の両末端にニトリル基が結合した鎖式飽和炭化水素ジニトリル化合物としては、例えば、スクシノニトリルNC(CHCN、グルタロニトリルNC(CHCN、アジポニトリルNC(CHCN、セバコニトリルNC(CHCN、ドデカンジニトリルNC(CH10CNなどのような直鎖状のジニトリル化合物の他、2−メチルグルタロニトリルNCCH(CH)CHCHCN等のように分枝を有していても良い。これらの鎖式飽和炭化水素ジニトリル化合物は、炭素数は特に限定されないが、7〜20であることが好ましい。更に好ましくは10〜12である。 Examples of the chain saturated hydrocarbon dinitrile compound in which nitrile groups are bonded to both ends of the chain saturated hydrocarbon compound include succinonitrile NC (CH 2 ) 2 CN, glutaronitrile NC (CH 2 ) 3 CN, adiponitrile In addition to linear dinitrile compounds such as NC (CH 2 ) 4 CN, sebaconitrile NC (CH 2 ) 8 CN, dodecanedinitrile NC (CH 2 ) 10 CN, 2-methylglutaronitrile NCCH (CH 3 ) CH 2 CH 2 CN may have a branched as such. These chain saturated hydrocarbon dinitrile compounds are not particularly limited in carbon number, but are preferably 7 to 20. More preferably, it is 10-12.

鎖式エーテル化合物の末端の少なくとも一つにニトリル基が結合した鎖式エーテルニトリル化合物としては、オキシジプロピオニトリルNCCHCH−O−CHCHCNや、3−メトキシプロピオニトリルCH−O−CHCHCN等が挙げられる。これらの鎖式エーテルニトリル化合物は、炭素数は特に限定されないが、20以下であることが好ましい。
シアノ酢酸エステルとしてはシアノ酢酸メチル、シアノ酢酸エチル、シアノ酢酸プロピル、シアノ酢酸ブチル等が挙げられる。これらのシアノ酢酸エステルは、炭素数は特に限定されないが、20以下であることが好ましい。
Examples of the chain ether nitrile compound in which a nitrile group is bonded to at least one end of the chain ether compound include oxydipropionitrile NCCH 2 CH 2 —O—CH 2 CH 2 CN and 3-methoxypropionitrile CH 3. -O-CH 2 CH 2 CN, and the like. These chain ether nitrile compounds are not particularly limited in carbon number, but are preferably 20 or less.
Examples of cyanoacetic acid esters include methyl cyanoacetate, ethyl cyanoacetate, propyl cyanoacetate, and butyl cyanoacetate. These cyanoacetic acid esters are not particularly limited in carbon number, but are preferably 20 or less.

これらニトリル化合物は電解液において電位窓を特に正方向に広げる作用を奏する。電位窓を広げる作用の観点からジニトリル化合物が好ましい。中でも、セバコニトリルの採用が更に好ましい。
ただし、ニトリル化合物は粘度が高いので、上述の鎖状炭酸エステル、環状炭酸エステル及び/又は環状カルボン酸エステルと併用することが好ましい。更に好ましくはニトリル化合物と鎖状炭酸エステル及び環状炭酸エステルとを併用する。鎖状炭酸エステルとしてはジメチルカーボネートを採用することができ、環状炭酸エステルとしてはエチレンカーボネートを採用することができる。
この場合、有機溶媒全体に占めるニトリル化合物の配合割合は1〜90容量%とすることが好ましい。更に好ましくは15〜70容量%であり、更に更に好ましくは、30〜50容量%である。
These nitrile compounds have the effect of expanding the potential window particularly in the positive direction in the electrolytic solution. A dinitrile compound is preferable from the viewpoint of the action of expanding the potential window. Of these, the use of sebacononitrile is more preferable.
However, since a nitrile compound has high viscosity, it is preferable to use together with the above-mentioned chain carbonate ester, cyclic carbonate ester, and / or cyclic carboxylic acid ester. More preferably, a nitrile compound, a chain carbonate ester and a cyclic carbonate ester are used in combination. Dimethyl carbonate can be employed as the chain carbonate, and ethylene carbonate can be employed as the cyclic carbonate.
In this case, the blending ratio of the nitrile compound in the whole organic solvent is preferably 1 to 90% by volume. More preferably, it is 15-70 volume%, More preferably, it is 30-50 volume%.

Na塩の濃度は0.01mol/L以上であって、飽和状態よりも低い濃度とする。Na塩の濃度が0.01mol/L未満であると、Naイオンによるイオン伝導が小さくなり、電解液の電気抵抗が高くなるので好ましくない。他方、飽和状態を超えると、温度等の環境変化によって溶解しているNa塩が析出するので好ましくない。   The concentration of the Na salt is 0.01 mol / L or more and is lower than the saturated state. When the concentration of Na salt is less than 0.01 mol / L, ion conduction due to Na ions is reduced, and the electric resistance of the electrolytic solution is increased, which is not preferable. On the other hand, exceeding the saturated state is not preferable because a dissolved Na salt is precipitated due to environmental changes such as temperature.

(正極)
正極は正極活物質と集電体とを備える。
(リチウムイオン電池用正極活物質)
リチウムイオン電池用正極活物質とは「負極よりも高い電位で結晶構造内にリチウムが挿入/離脱され、それに伴って酸化/還元が行われる物質」をいう。
正極活物質としては(1)酸化物系、(2)オリビン型結晶構造を有するリン酸塩系、及び(3)オリビンフッ化物系を挙げることができる。
(Positive electrode)
The positive electrode includes a positive electrode active material and a current collector.
(Positive electrode active material for lithium ion battery)
The positive electrode active material for a lithium ion battery refers to “a material in which lithium is inserted / extracted in the crystal structure at a higher potential than that of the negative electrode, and oxidation / reduction is performed accordingly”.
Examples of the positive electrode active material include (1) an oxide system, (2) a phosphate system having an olivine type crystal structure, and (3) an olivine fluoride system.

(1)酸化物系
1−1具体的物質
酸化物系としては、Li1−xCoO(x=0〜1:層状構造)、Li1−xNiO(x=0〜1:層状構造)、Li1−xMn(x=0〜1:スピネル構造)、Li2−yMnO(y=0〜2)及びこれらの固溶体(ここで固溶体とは、上記酸化物系の正極活物質において金属原子が自由な割合で混合された物質を指す。)を挙げることができる。また、これらのうちの金属原子を他の金属原子でドープしたものも含まれる。ドーパントとしては酸化還元反応において電気化学的な特性を変化させられるものであれば特に限定されるものではない。例えば、Li、Mg、Al、Ti、V、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、Zr、Nb及びMoの1種又はそれ以上を用いることができる。
1−2 特性
この正極活物質の一般的な放電電位は5V (vs Li/Li)未満である。但し、LiMn系でNiに一部置換した、LiNi0.5Mn1.5は、放電電位が4.7Vであり、急速充電をおこなう際には過電圧分を加味し、5Vを超える充電電圧を必要とする場合がある。また、LiCoMnOは放電電圧が5.2V程度から始まるため、これも充電電圧は5Vを超える。このため、これらの高い電圧に耐えることのできる、本発明の触媒金属担持カーボンは、好適に用いることができる。また、酸化物系は一般に300℃未満で分解し、酸素発生とともに比較的大きな発熱反応がある。このため、過充電が起こらないような制御回路が必要とされる。
(1) Oxide-based 1-1 specific substances As oxide-based materials, Li 1-x CoO 2 (x = 0 to 1: layered structure), Li 1-x NiO 2 (x = 0 to 1 : layered structure) ), Li 1-x Mn 2 O 4 (x = 0 to 1: spinel structure), Li 2−y MnO 3 (y = 0 to 2) and their solid solutions (herein, solid solutions are those of the above oxide series) In the positive electrode active material, it refers to a material in which metal atoms are mixed in a free ratio. Moreover, what doped the metal atom of these with the other metal atom is also contained. The dopant is not particularly limited as long as the electrochemical characteristics can be changed in the oxidation-reduction reaction. For example, one or more of Li, Mg, Al, Ti, V, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Zr, Nb, and Mo can be used.
1-2 Characteristics The general discharge potential of this positive electrode active material is less than 5 V (vs Li / Li + ). However, LiNi 0.5 Mn 1.5 O 4 partially substituted with Ni in the LiMn 2 O 4 system has a discharge potential of 4.7 V, and takes into account overvoltage when performing rapid charging, and 5 V May require a charging voltage exceeding. Further, since LiCoMnO 4 starts with a discharge voltage of about 5.2V, the charge voltage also exceeds 5V. For this reason, the catalyst metal carrying | support carbon of this invention which can endure these high voltages can be used suitably. In addition, oxide systems generally decompose at less than 300 ° C., and have a relatively large exothermic reaction as oxygen is generated. Therefore, a control circuit that does not cause overcharging is required.

(2)オリビン型結晶構造を有するリン酸塩系
2−1 具体的物質
オリビン型結晶構造を有するリン酸塩系としては、Li1−xNiPO (x=0〜1)、Li1−xCoPO (x=0〜1)、Li1−xMnPO (x=0〜1)、Li1−xFePO (x=0〜1)及びこれらの固溶体(ここで固溶体とは、上記リン酸塩系の正極活物質において金属原子が自由な割合で混合された物質を指す。)を挙げることができる。また、これらのうちの金属原子を他の金属原子でドープしたものも含まれる。ドーパントとしては酸化還元反応において電気化学的な特性を変化させられるものであれば特に限定されるものではない。例えば、Mg、Al、Ti、V、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、Zr、Nb及びMoの1種又は2種以上を用いることができる(特開2008−130525号参照)。
2−2 特性
この正極活物質の酸化還元電位は、上記酸化物系とは異なり300℃未満では発熱反応が小さい上、酸素は発生せず、安全性が高いことから注目されている。また、リン酸塩系のうち、LiCoPO系は放電電位が4.8V程度であり、急速充電に際しては5V以上で耐電圧を有する電解液が必要とされる。LiNiPOの放電電位は5.2V (vs Li/Li)が示唆されている。このため、こうした高い電圧に耐えることのできる、本発明の触媒金属担持カーボンは、好適に用いることができる。
(2) Phosphate-based 2-1 having olivine-type crystal structure Specific substance Examples of phosphate-based olivine-type crystal structures include Li 1-x NiPO 4 (x = 0 to 1 ), Li 1-x CoPO 4 (x = 0 to 1 ), Li 1-x MnPO 4 (x = 0 to 1 ), Li 1-x FePO 4 (x = 0 to 1) and their solid solutions (herein the solid solution is the above-mentioned phosphorus In the acid salt positive electrode active material, it refers to a material in which metal atoms are mixed in a free ratio. Moreover, what doped the metal atom of these with the other metal atom is also contained. The dopant is not particularly limited as long as the electrochemical characteristics can be changed in the oxidation-reduction reaction. For example, one or more of Mg, Al, Ti, V, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Zr, Nb, and Mo can be used (see JP 2008-130525 A).
2-2 Characteristics The oxidation-reduction potential of this positive electrode active material is attracting attention because, unlike the above oxide system, if it is less than 300 ° C., the exothermic reaction is small, oxygen is not generated, and safety is high. Of the phosphate systems, the LiCoPO 4 system has a discharge potential of about 4.8 V, and an electrolyte having a withstand voltage of 5 V or more is required for rapid charging. It is suggested that the discharge potential of LiNiPO 4 is 5.2 V (vs Li / Li + ). For this reason, the catalyst metal carrying | support carbon of this invention which can endure such a high voltage can be used suitably.

(3)オリビンフッ化物系
3−1 具体的物質
Li2−xNiPOF (x=0〜2)、Li2−xCoPOF (x=0〜2)が知られており、その他Li2−xMnPOF (x=0〜2)、Li2−xFePOF (x=0〜2)が考えられる。
また、これらの固溶体(ここで固溶体とは、上記オリビンフッ化物系の正極活物質において金属原子が自由な割合で混合された物質を指す。)も挙げることができる。さらに、これらのうちの金属原子を他の金属原子でドープしたものも含まれる。ドーパントとしては酸化還元反応において電気化学的な特性を変化させられるものであれば特に限定されるものではない。例えば、Mg、Al、Ti、V、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、Zr、Nb及びMoの1種又はそれ以上を用いることができる。
3−2 特性
この正極活物質の酸化還元電位はオリビン系と同様に、上記酸化物系とは異なり、300℃未満の分解では、発熱反応が小さい上、酸素発生がないため、正極活物質由来の電池発火の影響は小さいと考えられ安全性の面で注目されている。また、電池の電気容量密度(mAh/g)を上記リン酸塩系よりも高くできる(特開2003−229126号公報参照)。しかし、例えばLiCoPOF系は、平均放電電位が4.8V程度であり、急速充電に際しては5V以上で耐電圧を有する電解液が必要とされる。また、LiNiPOF系の放電電位は5.2V(vs Li/Li)程度であり、5V以上で耐電圧を有する電解液が必要とされる。このため、こうした高い電圧に耐えることのできる、本発明の触媒金属担持カーボンは、好適に用いることができる。
(3) Olivine fluoride system 3-1 Specific substances Li 2-x NiPO 4 F (x = 0-2), Li 2-x CoPO 4 F (x = 0-2) are known, and other Li 2 -x MnPO 4 F (x = 0~2 ), Li 2-x FePO 4 F (x = 0~2) are considered.
Further, these solid solutions (herein, the solid solution refers to a material in which metal atoms are mixed in a free ratio in the olivine fluoride-based positive electrode active material) can also be mentioned. Furthermore, the thing which doped the metal atom of these with another metal atom is also contained. The dopant is not particularly limited as long as the electrochemical characteristics can be changed in the oxidation-reduction reaction. For example, one or more of Mg, Al, Ti, V, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Zr, Nb, and Mo can be used.
3-2 Characteristics Similar to the olivine system, the redox potential of this positive electrode active material is different from that of the above oxide system. The effect of battery ignition is considered to be small, and is attracting attention in terms of safety. Moreover, the electric capacity density (mAh / g) of a battery can be made higher than the said phosphate system (refer Unexamined-Japanese-Patent No. 2003-229126). However, for example, the Li 2 CoPO 4 F system has an average discharge potential of about 4.8 V, and an electrolytic solution having a withstand voltage of 5 V or more is required for rapid charging. Further, the discharge potential of the Li 2 NiPO 4 F system is about 5.2 V (vs Li / Li + ), and an electrolytic solution having a withstand voltage at 5 V or more is required. For this reason, the catalyst metal carrying | support carbon of this invention which can endure such a high voltage can be used suitably.

(4)その他
その他、リチウム非含有のFeF、有機導電性物質を用いた共役系ポリマー、シェブレル相化合物等を用いることもできる。また、遷移金属カルコゲン化物、バナジウム酸化物およびそのリチウム塩、ニオブ酸化物およびそのリチウム塩、さらには、複数の異なった正極活物質を混合して用いることも可能である。
正極活物質粒子の平均粒径は、特に限定はされないが、10nm〜30μmであることが好ましい。
(4) Others In addition, lithium-free FeF 3 , a conjugated polymer using an organic conductive material, a chevrel phase compound, or the like can also be used. In addition, transition metal chalcogenides, vanadium oxides and lithium salts thereof, niobium oxides and lithium salts thereof, and a plurality of different positive electrode active materials may be used in combination.
The average particle diameter of the positive electrode active material particles is not particularly limited, but is preferably 10 nm to 30 μm.

(ナトリウムイオン電池用正極活物質)
ナトリウムイオン電池用正極活物質は、充放電によって可逆的に酸化−還元を繰り返すことのできる物質であって、ナトリウムイオンを可逆的にインターカレート−デインターカレートできる物質であることが要求される。
このような正極活物質としては、特開2009−129741号公報に記載されているNaFeO、NaNiO、NaCoO、NaMnO、NaFe1−x 、NaNi1−x 、NaCo1−x 、NaMn1−x (ただし、Mは3価金属からなる群より選ばれる1種以上の元素であり、0≦x<0.5である。)で示される化合物等が挙げられる。これらのなかでも、主に鉄とナトリウムとを含有する複合酸化物であって、六方晶の結晶構造からなる複合酸化物を正極活物質として用いることにより、高い放電電圧を得ることができ、エネルギー密度の高い二次電池を得ることができる。
(Positive electrode active material for sodium ion batteries)
The positive electrode active material for a sodium ion battery is a material that can be reversibly oxidized and reduced by charge and discharge, and is required to be a material that can reversibly intercalate and deintercalate sodium ions. The
Examples of such a positive electrode active material include NaFeO 2 , NaNiO 2 , NaCoO 2 , NaMnO 2 , NaFe 1-x M 1 x O 2 , and NaNi 1-x M 1 x described in JP2009-129741A. O 2 , NaCo 1-x M 1 x O 2 , NaMn 1-x M 1 x O 2 (where M 1 is one or more elements selected from the group consisting of trivalent metals, and 0 ≦ x <0 .5)) and the like. Among these, a composite oxide mainly containing iron and sodium, and using a composite oxide having a hexagonal crystal structure as a positive electrode active material, a high discharge voltage can be obtained. A secondary battery having a high density can be obtained.

上記正極活物質として、さらに好ましくは、主に鉄とナトリウムとを含有する複合酸化物であって、六方晶の結晶構造を有し、かつ該複合酸化物のX線回折分析において、面間隔2.20オングストロームのピークの強度を面間隔5.36オングストロームのピークの強度で除した値が2以下である複合酸化物である。またナトリウム化合物と鉄化合物とを含有する金属化合物混合物を、400℃以上900℃以下の温度範囲で加熱するにあたり、温度上昇中の100℃未満の温度範囲においては雰囲気を不活性雰囲気として加熱することが好ましい。
また、これらの化合物うちの遷移金属原子を他の金属原子でドープしたものでもよい。ドーパントとしては酸化還元反応において電気化学的な特性を変化させられるものであれば特に限定されるものではない。
More preferably, the positive electrode active material is a composite oxide mainly containing iron and sodium, has a hexagonal crystal structure, and has an interplanar spacing of 2 in the X-ray diffraction analysis of the composite oxide. A complex oxide having a value obtained by dividing the intensity of a peak of 20 angstroms by the intensity of a peak of 5.36 angstroms in plane spacing is 2 or less. In heating a metal compound mixture containing a sodium compound and an iron compound in a temperature range of 400 ° C. or more and 900 ° C. or less, the atmosphere is heated as an inert atmosphere in a temperature range of less than 100 ° C. during the temperature increase. Is preferred.
Moreover, what doped the transition metal atom of these compounds with the other metal atom may be used. The dopant is not particularly limited as long as the electrochemical characteristics can be changed in the oxidation-reduction reaction.

(正極用集電体)
正極用集電体とは正極活物質を担持する導電性の基体である。
正極の集電体の成形材料は、充電時において安定であることが要求される。特に、酸化還元電位の高いオリビン型結晶構造を有するリン酸塩系及びオリビンフッ化物系の正極活物質を用いるときには、耐食性に優れた素材を使用することが好ましい。
例えば、電解質としてLiPF、LiBFを使用する場合、オーステナイト系ステンレス、Ni、Al、Ti等を用いることができるが、使用する正極活物質の動作電位を考慮し、適宜選択することが好ましい。例えば、電解質としてLiPFを用いる場合は、Li/Li電極に対して6Vでも使用することができるが、電解質としてLiBFを用いる場合、SUS304はLi/Li電極に対し5.8V以下で充放電可能な場合のみ用いることができる。また、電解質としてLiTFSIを使用する場合、正極集電体表面に耐食性皮膜を形成させるべく、LiPFを共存させることが好ましい。LiBETI及びLiTFSもLiTFSIの場合と同様である。
また、Al等の導電金属材料へ導電性DLC(ダイヤモンドライクカーボン)を周知の方法で被覆したものを集電体として用いることもできる。電解質がLiBFやLiPFなど、容易にフッ化物皮膜を形成するようなリチウム塩の場合は、アルミニウム上へ厚いフッ化皮膜が形成し、耐食性は向上するものの、電子伝導性が低下し、ひいてはオーミック過電圧増加に伴う、高出力化が阻害されることとなる。Al等の導電金属材料へ導電性DLCを被覆すれば、フッ化物皮膜は導電性DLCの欠陥部分の極わずかな面積でのみ発生するだけである。このため、高電圧化しても電子伝導性の低下は無視できる程度となり、懸念されている高電圧化による出力低下は防ぐことが可能となる。
ここで、導電性ダイヤモンドライクカーボンとは、ダイヤモンド結合(炭素同士のSP混成軌道結合)とグラファイト結合(炭素同士のSP混成軌道結合)の両方の結合が混在しているアモルファス構造をとるカーボンのうち、導電性が1000Ωcm以下のものをいう。ただし、アモルファス構造以外に、部分的にグラファイト構造からなる結晶構造(すなわちSP混成軌道結合からなる六方晶系結晶構造)からなる相を有し、これにより導電性が発揮されるものも含まれる。グラファイトとダイヤモンドの中間の性質を有するダイヤモンドライクカーボンは、成膜時にダイヤモンドライクカーボンを構成する炭素原子のSP混成軌道結合とSP混成軌道結合の比率を調整することで、導電性を調節することができる。
勿論、上記耐食性導電性金属材料を導電性DLCで被覆してもよい。
集電体の形状及び構造は、正極活物質や電池の構造に応じて、任意に設計可能である。
(Current collector for positive electrode)
The positive electrode current collector is a conductive substrate carrying a positive electrode active material.
The molding material for the current collector of the positive electrode is required to be stable during charging. In particular, when using a phosphate-based and olivine fluoride-based positive electrode active material having an olivine-type crystal structure with a high redox potential, it is preferable to use a material excellent in corrosion resistance.
For example, when LiPF 6 or LiBF 4 is used as the electrolyte, austenitic stainless steel, Ni, Al, Ti, or the like can be used, but it is preferable to select them appropriately in consideration of the operating potential of the positive electrode active material to be used. For example, when LiPF 6 is used as the electrolyte, it can be used even at 6 V with respect to the Li / Li + electrode. However, when LiBF 4 is used as the electrolyte, SUS304 is 5.8 V or less with respect to the Li / Li + electrode. It can be used only when charge / discharge is possible. Further, when LiTFSI is used as the electrolyte, it is preferable that LiPF 6 coexists in order to form a corrosion-resistant film on the surface of the positive electrode current collector. LiBETI and LiTFS are the same as in LiTFSI.
In addition, a conductive metal material such as Al coated with conductive DLC (diamond-like carbon) by a well-known method can be used as a current collector. When the electrolyte is a lithium salt such as LiBF 4 or LiPF 6 that easily forms a fluoride film, a thick fluoride film is formed on the aluminum and the corrosion resistance is improved, but the electronic conductivity is lowered, and consequently The increase in output accompanying the increase in ohmic overvoltage is impeded. If the conductive metal material such as Al is coated with the conductive DLC, the fluoride film is generated only in a very small area of the defective portion of the conductive DLC. For this reason, even if the voltage is increased, the decrease in electron conductivity is negligible, and it is possible to prevent the decrease in output due to the increased voltage, which is a concern.
Here, the conductive diamond-like carbon is carbon having an amorphous structure in which both diamond bonds (SP 3 hybrid orbital bonds between carbons) and graphite bonds (SP 2 hybrid orbital bonds between carbons) are mixed. Among them, the conductivity is 1000 Ωcm or less. However, in addition to the amorphous structure, those having a phase composed of a crystal structure partially composed of a graphite structure (that is, a hexagonal crystal structure composed of SP 2 hybrid orbital bonds) and thereby exhibiting conductivity are also included. . Diamond-like carbon having properties intermediate between graphite and diamond adjusts the conductivity by adjusting the ratio of SP 2 hybrid orbital bonds and SP 3 hybrid orbital bonds of the carbon atoms constituting diamond-like carbon during film formation. be able to.
Of course, you may coat | cover the said corrosion-resistant electroconductive metal material with electroconductive DLC.
The shape and structure of the current collector can be arbitrarily designed according to the structure of the positive electrode active material and the battery.

(正極の前処理)
リチウムイオン電池用正極やナトリウムイオン電池用正極は、リチウムイオン電池に組み込む前に、ニトリル化合物を1容量%以上含む有機溶媒中にリチウム塩(あるいはナトリウム塩)が溶解した前処理用電解液中に正電極を浸漬する浸漬処理工程を行い、さらに電極に正電圧を付与する正電圧処理工程を行なう。こうして前処理された電極は、ニトリル化合物を全く含まない電解液や、ニトリル化合物の添加量の少ない電解液を用いたリチウムイオン電池に用いても、電位窓が広く、高い電位においても電解液を分解し難くなる(特願2009−180007号参照)。このような広い電位窓の電極となる理由は、電極上に窒素を成分として含む耐食性の皮膜が形成されるためであると推測される。
(Pretreatment of positive electrode)
The positive electrode for a lithium ion battery and the positive electrode for a sodium ion battery are incorporated into a pretreatment electrolyte in which a lithium salt (or sodium salt) is dissolved in an organic solvent containing 1% by volume or more of a nitrile compound before being incorporated into the lithium ion battery. An immersion treatment step of immersing the positive electrode is performed, and a positive voltage treatment step of applying a positive voltage to the electrode is further performed. The electrode thus pretreated has a wide potential window even when used in an electrolyte solution containing no nitrile compound or in a lithium ion battery using an electrolyte solution with a small amount of nitrile compound added. It becomes difficult to disassemble (see Japanese Patent Application No. 2009-180007). The reason why the electrode has such a wide potential window is presumed to be that a corrosion-resistant film containing nitrogen as a component is formed on the electrode.

(負極)
負極は負極活物質と集電体とを備える。
(リチウムイオン電池用負極活物質)
リチウムイオン電池用負極活物質とは「正極よりも低い電位で結晶構造内にリチウムが挿入/離脱され、それに伴って酸化/還元が行われる物質」をいう。
リチウムイオン電池用負極活物質としては、例えば、人造黒鉛、天然黒鉛、ハードカーボン等の種々の炭素材料やチタン酸リチウム(LiTi12)、HTi1225、HTi13、Feなどが挙げられる。また、これらを適宜混合した複合体も挙げることができる。さらには、Si微粒子やSi薄膜、これらのSiがSi−Ni、Si−Cu、Si−Nb、Si−Zn、Si−Sn等のSi系合金となった微粒子や薄膜が挙げられる。さらには、SiO酸化物、Si−SiO複合体、Si−SiO−カーボンなどの複合体等を挙げることができる。
(Negative electrode)
The negative electrode includes a negative electrode active material and a current collector.
(Anode active material for lithium ion battery)
The negative electrode active material for lithium ion batteries refers to “a material in which lithium is inserted / extracted in the crystal structure at a lower potential than that of the positive electrode, and oxidation / reduction is performed accordingly”.
Examples of the negative electrode active material for a lithium ion battery include various carbon materials such as artificial graphite, natural graphite, and hard carbon, lithium titanate (Li 4 Ti 5 O 12 ), H 2 Ti 12 O 25 , and H 2 Ti 6. Examples thereof include O 13 and Fe 2 O 3 . Moreover, the composite material which mixed these suitably can also be mentioned. Furthermore, there may be mentioned Si fine particles and Si thin films, and fine particles and thin films in which these Si are Si-based alloys such as Si—Ni, Si—Cu, Si—Nb, Si—Zn, Si—Sn. Further, SiO oxide, Si-SiO 2 composite, Si-SiO 2 - can be given complex, etc., such as carbon.

(ナトリウムイオン電池用負極活物質)
また、ナトリウムイオン電池用負極活物質とは「二次電池の負極として充放電によってナトリウムイオンが出入りするとともに可逆的に酸化−還元を繰り返すことのできる物質」であり、本発明においてはLiTi12を用いる。
(Anode active material for sodium ion battery)
The negative electrode active material for a sodium ion battery is a “substance that allows sodium ions to enter and exit as a negative electrode of a secondary battery and reversibly repeat oxidation and reduction”. In the present invention, Li 4 Ti 5 O 12 is used.

(負極用集電体)
負極用の集電体は汎用的な導電性金属材料、Cu、Al、Ni、Ti、オーステナイト系ステンレス等で形成することができる。
但し、電解液にニトリル化合物を用いたとき(他の有機溶剤との併用を含む)には、電解液中のLi塩に応じて適宜選択する必要がある。すなわち、電解質としてLiPF、LiBFを使用する場合、オーステナイト系ステンレス、Ni、Al、Ti等の使用が可能となる。ただし、使用する負極活物質の動作電位に応じて、適宜選択する必要がある。負極活物質としてカーボン系やSi系を使用する場合において、電解質としてLiBFを使用した場合は、Cu以外のAl、Ni、Ti、オーステナイト系ステンレス等からなる集電体を使用することができる。負極活物質としてチタン酸リチウムやFe系の化合物を用いた場合は、Cuを含む上記材料の全てが適用可能である。一方、電解質としてLiPF使用時はAl、Ni及びTiが好ましく、オーステナイト系ステンレス及びCuは好ましくない。また、電解質としてLiTFSIや、LiBETI、やLiTFSを使用する場合、Ni、Ti、Al、Cu、オーステナイト系ステンレスの何れも使用することができる。
(Current collector for negative electrode)
The current collector for the negative electrode can be formed of a general-purpose conductive metal material, Cu, Al, Ni, Ti, austenitic stainless steel, or the like.
However, when a nitrile compound is used for the electrolytic solution (including combined use with other organic solvents), it is necessary to select appropriately according to the Li salt in the electrolytic solution. That is, when LiPF 6 or LiBF 4 is used as the electrolyte, austenitic stainless steel, Ni, Al, Ti, or the like can be used. However, it is necessary to select appropriately according to the operating potential of the negative electrode active material to be used. In the case of using carbon or Si as the negative electrode active material, when LiBF 4 is used as the electrolyte, a current collector made of Al, Ni, Ti, austenitic stainless or the like other than Cu can be used. In the case where lithium titanate or a Fe 2 O 3 based compound is used as the negative electrode active material, all of the above materials containing Cu are applicable. On the other hand, when LiPF 6 is used as the electrolyte, Al, Ni and Ti are preferable, and austenitic stainless steel and Cu are not preferable. In addition, when LiTFSI, LiBETI, or LiTFS is used as the electrolyte, any of Ni, Ti, Al, Cu, and austenitic stainless steel can be used.

(正極用電子伝導部材)
正極活物質には導電性の小さいものがある。従って、正極活物質と集電体との間に導電性の電子伝導部材を介在させて、両者の間に十分な電子伝導パスを確保することが好ましい。
ここで電子伝導部材は正極活物質と集電体との間に電子伝導パスを形成できればその形態は特に限定されるものではなく、例えばアセチレンブラック等のカーボンブラック、グラファイト粉、ダイヤモンドライクカーボン、グラッシーカーボン等の導電性粉体(導電助剤)を用いることができる。ダイヤモンドライクカーボン及びグラッシーカーボンは、カーボンブラックやグラファイトよりもはるかに広い電位窓を有しており、高電位を付与した場合の耐食性に優れているため、好適に用いることができる。また、これらの導電助剤として、本発明の触媒金属担持カーボンを用いることも好ましい。金属微粒子としては、例えばPt、Au、Ni等が挙げられる。これらは、単独で用いても良いし、これらの合金であっても良い。また、電子伝導材料として、正極活物質を被覆する導電性皮膜(DLC膜等)、正極活物質を埋入させた導電性薄膜(金の薄膜等)を用いることができる。
特に、LiNiPOF系の正極活物質はそれ自身の及び/又はその表面皮膜の導電性が小さいので、これを集電体へ単に担持させてなるものではリチウムイオン電池の正極として機能しない場合がある。LiNiPOF系の正極活物質の性能評価のために、これを金等の導電薄膜へハンマー等で物理的に打ち込み、電池の正極を形成することができる。
ここにLiNiPOF系正極活物質とはLiNiPOF及びこれへ適宜ドーパントをドープしたものを指す。
(Electroconductive member for positive electrode)
Some positive electrode active materials have low electrical conductivity. Therefore, it is preferable to provide a sufficient electron conduction path between the positive electrode active material and the current collector by interposing a conductive electron conduction member.
Here, the form of the electron conducting member is not particularly limited as long as an electron conducting path can be formed between the positive electrode active material and the current collector. For example, carbon black such as acetylene black, graphite powder, diamond-like carbon, glassy Conductive powder (conductive aid) such as carbon can be used. Diamond-like carbon and glassy carbon have a much wider potential window than carbon black and graphite, and are excellent in corrosion resistance when a high potential is applied, and therefore can be suitably used. Moreover, it is also preferable to use the catalyst metal carrying | support carbon of this invention as these conductive support agents. Examples of the metal fine particles include Pt, Au, Ni and the like. These may be used alone or an alloy thereof. In addition, as the electron conductive material, a conductive film (such as a DLC film) covering the positive electrode active material or a conductive thin film (such as a gold thin film) in which the positive electrode active material is embedded can be used.
In particular, since the Li 2 NiPO 4 F-based positive electrode active material has low conductivity of its own and / or its surface coating, it does not function as a positive electrode of a lithium ion battery if it is simply supported on a current collector. There is a case. In order to evaluate the performance of the Li 2 NiPO 4 F-based positive electrode active material, it can be physically driven into a conductive thin film such as gold with a hammer or the like to form the positive electrode of the battery.
Here, the Li 2 NiPO 4 F-based positive electrode active material refers to Li 2 NiPO 4 F and a material appropriately doped with dopant.

(負極用電子伝導部材)
正極用電子伝導部材としては、アセチレンブラック等のカーボンブラックを用いることができる。
(Electroconductive member for negative electrode)
As the positive electrode electron conducting member, carbon black such as acetylene black can be used.

(セパレータ)
セパレータは電解液中へ浸漬され、正極と負極とを分離し両者の短絡を防ぐとともに、Liイオンの通過を許容する。
かかるセパレータには、ポリエチレン、ポリプロピレン等のポリオレフィン系樹脂から成る多孔質フィルムが挙げられる。
(Separator)
The separator is immersed in the electrolytic solution, separates the positive electrode and the negative electrode, prevents a short circuit therebetween, and allows the passage of Li ions.
Examples of such separators include porous films made of polyolefin resins such as polyethylene and polypropylene.

(ケース)
ケースは電解液に対する耐食性を有する材質で形成される。その形状は、電池の目的用途に応じて任意に設計できる。
リチウム塩が溶解している電解液を使用する場合には、オーステナイト系ステンレスからなる基材、Ti、Ni及び/又はAlからなるケースを用いることができる。但し使用する正極、負極活物質の動作電位により適宜選択しなければならない場合もある。
ケースが集電体を兼ねる場合や集電体に電気的に結合される場合は、各電極の集電体形成材料と同一若しくは同種の材料で形成される。
(Case)
The case is formed of a material having corrosion resistance against the electrolytic solution. The shape can be arbitrarily designed according to the intended use of the battery.
When using an electrolytic solution in which a lithium salt is dissolved, a base material made of austenitic stainless steel, a case made of Ti, Ni and / or Al can be used. However, there are cases where it is necessary to select appropriately depending on the operating potential of the positive electrode and negative electrode active material to be used.
When the case also serves as a current collector or is electrically coupled to the current collector, the case is formed of the same or the same material as the current collector forming material of each electrode.

この発明は、上記発明の実施形態の説明に何ら限定されるものではない。特許請求の範囲の記載を逸脱せず、当業者が容易に想到できる範囲で種々の変形態様もこの発明に含まれる。   The present invention is not limited to the description of the embodiment of the invention. Various modifications may be included in the present invention as long as those skilled in the art can easily conceive without departing from the description of the scope of claims.

本発明に用いる触媒金属担持カーボンは燃料電池の触媒層やリチウムイオン電池の正極材料等に利用可能である。 The catalytic metal-supported carbon used in the present invention can be used for a catalyst layer of a fuel cell, a positive electrode material of a lithium ion battery, and the like.

Claims (1)

触媒金属を担持させた導電性ダイヤモンドライクカーボンの粉末と電解質とを混合してなる空気極を備える燃料電池であって、
前記導電性ダイヤモンドライクカーボンはダイヤモンド結合(炭素同士のSP 混成軌道結合)とグラファイト結合(炭素同士のSP 混成軌道結合)の両方の結合が混在しているアモルファス構造をとるカーボンのうち、導電性が1000Ωcm以下のものであるが、前記アモルファス構造以外に、部分的にグラファイト構造からなる結晶構造(SP 混成軌道結合からなる六方晶系結晶構造)からなる相を有し、これにより前記導電性が発揮されるものを含む、前記燃料電池
A fuel cell comprising an air electrode formed by mixing a conductive diamond-like carbon powder carrying a catalyst metal and an electrolyte ,
The conductive diamond-like carbon is conductive among carbons having an amorphous structure in which both diamond bonds (SP 3 hybrid orbital bonds between carbons) and graphite bonds (SP 2 hybrid orbital bonds between carbons ) are mixed. In addition to the amorphous structure, it has a phase partially composed of a crystal structure composed of a graphite structure ( hexagonal crystal structure composed of SP 2 hybrid orbital bonds). The fuel cell, including one that exhibits its properties .
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