JP5573749B2 - Non-aqueous electrolyte battery - Google Patents

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Description

本発明は、耐久性の高い非水電解質電池に関する。   The present invention relates to a highly durable nonaqueous electrolyte battery.

従来の非水電解質二次電池は、リチウムなどの金属イオンを授受できる活物質を電極に有している。   A conventional non-aqueous electrolyte secondary battery has an active material that can exchange metal ions such as lithium as an electrode.

ところで、電池容量の向上を目的としてラジカル材料を正極に含有させることがある。正極に含有させたラジカル材料は電池反応に寄与できる。更に、空気中の酸素を正極活物質とし、酸素の酸化還元反応を触媒する酸化還元触媒を正極に含む空気電池が知られている。その酸化還元触媒としてはラジカル材料が好適であることが開示されている(特許文献1)。   By the way, a radical material may be included in the positive electrode for the purpose of improving the battery capacity. The radical material contained in the positive electrode can contribute to the battery reaction. Furthermore, an air battery is known in which oxygen in the air is used as a positive electrode active material, and a redox catalyst that catalyzes a redox reaction of oxygen is included in the positive electrode. It is disclosed that a radical material is suitable as the redox catalyst (Patent Document 1).

特開2009−259764号公報JP 2009-259664 A

ところで、本発明者らの研究によると、正極にラジカル材料を含有させた非水二次電池は充分な耐久性を示さないことがあった。本発明者らがこの原因を探るため鋭意検討を行った結果、電解質中に含まれる支持塩の種類によって含有されるラジカル材料が失活する場合があることが明らかになった。具体的には、電池に予め含まれているか、保存している間に生成するルイス酸によりラジカル材料がもつラジカルが失活し電池性能が低下することが分かった。実施例にて詳述するが、ルイス酸はラジカル材料と複合体を生成することでラジカルを消費して、ラジカル材料がもつラジカルが電池反応に関与できなくする作用をもつことが分かった。   By the way, according to a study by the present inventors, a non-aqueous secondary battery in which a radical material is contained in the positive electrode may not show sufficient durability. As a result of intensive studies by the present inventors to find out the cause, it has become clear that the radical material contained may be deactivated depending on the type of the supporting salt contained in the electrolyte. Specifically, it has been found that the radicals possessed by the radical material are deactivated by the Lewis acid that is contained in the battery in advance or generated during storage, and the battery performance decreases. As will be described in detail in Examples, it has been found that Lewis acid has a function of consuming radicals by forming a complex with a radical material, thereby preventing the radical of the radical material from participating in the battery reaction.

本発明は上記実情に鑑み完成されたもので有り、耐久性に優れた非水電解質電池を提供することを解決すべき課題とする。   This invention is completed in view of the said situation, and makes it the subject which should be solved to provide the nonaqueous electrolyte battery excellent in durability.

上記知見に基づき本発明者らは以下の発明を完成した。すなわち、上記課題を解決する請求項1に記載の発明は、ラジカル材料をもつ正極と、
金属イオン(Mイオン;MはLi、Na、K、Ca、Mg、Zn、Fe、及びAlからなる群から選択される)を吸蔵乃至放出可能な負極と、
前記正極及び前記負極の間に介設された非水電解質と、
を有する電池であって、
前記非水電解質は、Me(MeはLi、Na、K、Ca、及びAlからなる群から選択される;Xはビス(オキサラト)ホウ酸(bis(oxalate)borate)アニオン、マロナト−オキサラトホウ酸(malonato-oxalatoborate)アニオン、及びビス(マロナト)ホウ酸(bis(malonato)borate)アニオンからなる群から選択される;a、bはMeの酸化数に応じて1〜3から決定される整数)からなる支持塩を含むことを特徴とする非水電解質電池である。
Based on the above findings, the present inventors have completed the following invention. That is, the invention according to claim 1 that solves the above-described problem includes a positive electrode having a radical material,
A negative electrode capable of inserting or extracting metal ions (M ions; M is selected from the group consisting of Li, Na, K, Ca, Mg, Zn, Fe, and Al);
A non-aqueous electrolyte interposed between the positive electrode and the negative electrode ;
A battery having
The non-aqueous electrolyte is Me a X b (Me is selected from the group consisting of Li, Na, K, Ca, and Al; X is a bis (oxalate) borate anion, malonato- Selected from the group consisting of an oxalatoborate (malonato-oxalatoborate) anion and a bis (malonato) borate anion; a and b are determined from 1 to 3 depending on the oxidation number of Me A non-aqueous electrolyte battery comprising a supporting salt comprising an integer).

上述した支持塩を採用することにより非水電解質電池の耐久性が向上できる。この理由としてはこれらの支持塩が電池内の雰囲気下でラジカル材料がもつラジカルを失活させることなく電解質としての作用を発揮できるためと考えている。   The durability of the nonaqueous electrolyte battery can be improved by employing the above-described supporting salt. The reason for this is considered that these supporting salts can exhibit an action as an electrolyte without deactivating radicals of the radical material in the atmosphere in the battery.

上記課題を解決する請求項1に記載の発明は、さらに、前記ラジカル材料に接触するようにルイス酸を含有しないことを特徴とする非水電解質電池である。 The invention of claim 1 for solving the above-mentioned problems, further, a non-aqueous electrolyte battery, wherein the pre-SL has no free Lewis acid to contact the radical material.

また、上記課題を解決する請求項2に記載の発明は、前記ルイス酸が下記に示す化合物群AであるMoreover, invention of Claim 2 which solves the said subject is the compound group A which the said Lewis acid shows below .

前記化合物群Aは、AsF、AgF、AgBF、BH、B、CaCl、(Cp)Os、(Cp)Ru、CuCl、Cu(BF、GaCl、GaF、Ga、GeF、GeH、HSO、HCOOH、HCN、HF、HCl、HBr、HI、Mg(CHSCH、MnCl、MoF、NaBF、NaB(C、NbCl、NH[B(CCH]、NHPF、NO(SbF)、NO(SbCl)、NO(BF)、PF、PF、Pd(CN)、PtCl、PtI、SbCl、SbF、SiCl、SiF4、SF、SnH、SO、TiCl、WF、ZrCl、BX、AlX、SnX、SnX、MgX、TiX、PdX、CrX、FeX、CoX、NiX、SbX、InX、ZnX(XがF、Cl、Br、I、CFSO 、C 、C 、OCHCH である。)、Ho(CFSO、Ca(CFSO、Sc(CFSO、Y(CFSO、Ln(CFSO(LnはLa、Ce、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、又はLu)、BF−ジエチルエーテレート錯体、BF−酢酸錯体、BF−メチル−t−ブチルエーテル錯体、BF−ジ−n−ブチルエーテレート錯体、BF−ジメチルエーテレート錯体、BF−ジメチルスルフィド錯体、BF−フェノール錯体、BF−リン酸錯体、BF−テトラヒドロフラン錯体、トリフル酸、トリブチルボラン、トリブチルボレート、及びトリス(パーフルオロフェニル)ボランからなる群である。 The compound group A includes AsF 5 , AgF, AgBF 4 , BH 3 , B 2 H 6 , CaCl 2 , (Cp) 2 Os, (Cp) 2 Ru, CuCl 2 , Cu (BF 4 ) 2 , GaCl 3 , GaF 3 , Ga 2 H 6 , GeF 4 , GeH 4 , H 2 SO 4 , HCOOH, HCN, HF, HCl, HBr, HI, Mg (CH 2 SCH 3 ) 2 , MnCl 2 , MoF 6 , NaBF 4 , NaB (C 6 H 5 ) 4 , NbCl 5 , NH 4 [B (C 6 H 5 ) 3 CH 3 ], NH 4 PF 6 , NO 2 (SbF 6 ), NO (SbCl 6 ), NO 2 (BF 4 ) , PF 3, PF 5, Pd (CN) 2, PtCl 4, PtI 4, SbCl 3, SbF 6, SiCl 4, SiF4, SF 4, SnH 4, SO 3, TiCl 3, WF , ZrCl 4, BX 3, AlX 3, SnX 2, SnX 4, MgX 2, TiX 4, PdX 2, CrX 3, FeX 3, CoX 3, NiX 2, SbX 5, InX 3, ZnX 2 (X is F - , Cl , Br , I , CF 3 SO 3 , C 6 F 5 , C 6 H 5 , OCH 2 CH 3 ), Ho (CF 3 SO 3 ) 2 , Ca (CF 3 SO 3 ) 2 , Sc (CF 3 SO 3 ) 3 , Y (CF 3 SO 3 ) 3 , Ln (CF 3 SO 3 ) 3 (Ln is La, Ce, Pr, Nd, Pm, Sm, Eu, Gd , Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, or Lu), BF 3 -diethyl etherate complex, BF 3 -acetic acid complex, BF 3 -methyl-t-butyl ether complex, BF 3 -di-n-butyl ether Rate complex , BF 3 - dimethyl etherate complex, BF 3 - dimethyl sulfide complex, BF 3 - phenol complex, BF 3 - phosphate complex, BF 3 - tetrahydrofuran complex, triflic acid, tributyl borane, tributyl borate, and tris (perfluorophenyl ) A group of boranes.

ラジカル材料に接触するように、ルイス酸(特に請求項2に記載したような化合物群A)を含有せず、且つ、生成しないようにすることでラジカル材料の失活を防止できる。ここで、上記化合物を含有しない、生成しないとは電解液中の支持塩の濃度を基準として0.1M以下(より望ましい基準として、0.05M以下、0.001M以下、0.0001M以下、検出限界以下との範囲を選択することもできる)しか含有しない、生成しないということである。また、ラジカル材料に接触しない部位であれば上記ルイス酸や化合物群Aを含有していても良い。例えば、正極に存在するラジカル材料に接触できないように完全に分離された空間や、電池の外部などに上述の化合物を含有することは妨げない。 The deactivation of the radical material can be prevented by not containing and forming a Lewis acid (particularly the compound group A as described in claim 2) so as to come into contact with the radical material. Here, the above-mentioned compound does not contain or does not form means 0.1 M or less on the basis of the concentration of the supporting salt in the electrolyte (more preferably, 0.05 M or less, 0.001 M or less, 0.0001 M or less, detection The range below or below the limit can also be selected). Moreover, the said Lewis acid and the compound group A may be contained if it is a site | part which does not contact radical material. For example, it does not prevent the compound described above from being contained in a space completely separated so as not to contact the radical material present in the positive electrode or outside the battery.

請求項3に記載の発明は、前記ラジカル材料ニトロキシルラジカル化合物である。 According to a third aspect of the present invention, the radical material is a nitroxyl radical compound.

ニトロキシルラジカルを正極に含有させることで電池容量を向上できる。   The battery capacity can be improved by containing the nitroxyl radical in the positive electrode.

請求項4に記載の発明は、前記非水電解質が、エチレンカーボネート、プロピレンカーボネート、ブチレンカーボネート、γ−ブチルラクトン、ジメチルカーボネート、エチルメチルカーボネート、ジエチルカーボネート、1,2-ジメトキシエタン、メチルアセテート、テトラヒドロフラン、2-メチルテトラヒドロフラン1,3-ジオキソラン、4-メチル-1,3-ジオキソラン、ジエチルエーテル、3-メチルオキサゾリジノン、ギ酸メチルスルホラン、ジメチルスルホキシド、及びアセトニトリルからなる群から選択される1種又は2種以上の非水溶媒を含む。 The invention according to claim 4 is characterized in that the non-aqueous electrolyte is ethylene carbonate, propylene carbonate, butylene carbonate, γ-butyl lactone, dimethyl carbonate, ethyl methyl carbonate, diethyl carbonate, 1,2-dimethoxyethane, methyl acetate, tetrahydrofuran. 1 or 2 selected from the group consisting of 2-methyltetrahydrofuran 1,3-dioxolane, 4-methyl-1,3-dioxolane, diethyl ether, 3-methyloxazolidinone, methyl sulfolane formate, dimethyl sulfoxide, and acetonitrile The above non-aqueous solvent is included.

これらの非水溶媒は電池内の雰囲気下でルイス酸を生成せず、ラジカル材料の失活を生起しない。   These non-aqueous solvents do not generate a Lewis acid under the atmosphere in the battery and do not cause deactivation of the radical material.

請求項5に記載の発明は、前記正極の一面側が酸素含有ガスに接触する酸素透過膜をもち、前記ラジカル材料は前記酸素透過膜の他面側に配設されている。 According to a fifth aspect of the present invention, the one surface side of the positive electrode has an oxygen permeable film in contact with the oxygen-containing gas, and the radical material is disposed on the other surface side of the oxygen permeable film.

酸素を正極活物質にするため、電池のエネルギー密度が向上できる。   Since oxygen is used as the positive electrode active material, the energy density of the battery can be improved.

試験例1の試験溶液におけるサイクリックボルタモグラムを示した図である。4 is a diagram showing a cyclic voltammogram in the test solution of Test Example 1. FIG. 試験例2の試験溶液におけるサイクリックボルタモグラムを示した図である。4 is a diagram showing a cyclic voltammogram in a test solution of Test Example 2. FIG. 試験例3の試験溶液におけるサイクリックボルタモグラムを示した図である。FIG. 6 is a diagram showing a cyclic voltammogram in the test solution of Test Example 3. ラジカル材料とルイス酸との相互作用の様子を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the mode of interaction of radical material and a Lewis acid.

本発明の非水電解質電池について実施形態に基づき詳細に説明を行う。   The nonaqueous electrolyte battery of the present invention will be described in detail based on the embodiment.

(非水電解質電池)
本発明の非水電解質電池は正極、負極、そして非水電解質を有する。正極はラジカル材料をもつ。負極は金属イオンを吸蔵乃至放出可能な構成をもつ。金属イオンはLi、Na、K、Ca、Mg、Zn、Fe、又はAlのイオンである。
(Nonaqueous electrolyte battery)
The nonaqueous electrolyte battery of the present invention has a positive electrode, a negative electrode, and a nonaqueous electrolyte. The positive electrode has a radical material. The negative electrode has a configuration capable of inserting or extracting metal ions. The metal ions are Li, Na, K, Ca, Mg, Zn, Fe, or Al ions.

本実施形態の非水電解質電池の形態は特に限定されず、正極、負極、及び電解質をシート状に成形し、それらを重ね合わせた上で巻回する巻回型電池、積層する積層型電池などの通常の形態を採用することができる。正極、負極、電解質の形態は特に限定されないが、それぞれシート状、板状の形態が例示できる。なお、正極において酸素を利用する形態を採用する場合には正極側に酸素含有ガス(空気など)を供給できるようにする。また、本実施形態の非水電解質電池は一次電池でも二次電池でも構わないものであり、一次電池及び二次電池における保存中の電池性能の低下の抑制ができる上に、二次電池に採用するとサイクル特性の維持にも寄与できる発明である。   The form of the nonaqueous electrolyte battery of the present embodiment is not particularly limited, and a positive electrode, a negative electrode, and an electrolyte are formed into a sheet shape, and the wound type battery that is wound after being stacked, the laminated type battery that is laminated, and the like The usual form of can be adopted. Although the form of a positive electrode, a negative electrode, and electrolyte is not specifically limited, A sheet form and a plate form can be illustrated, respectively. In addition, when employ | adopting the form using oxygen in a positive electrode, oxygen-containing gas (air etc.) can be supplied to the positive electrode side. Further, the non-aqueous electrolyte battery of the present embodiment may be either a primary battery or a secondary battery, and it is possible to suppress deterioration of battery performance during storage in the primary battery and the secondary battery, and to be adopted for the secondary battery. Then, the invention can contribute to the maintenance of cycle characteristics.

本実施形態の非水電解質電池は、以下に示す(a)〜(c)の構成のうちの少なくとも1つの構成を採用する。これらの構成のうちの1又は2以上を採用することにより高い耐久性が実現できる。なお、(a)の構成を採用する場合は、この支持塩以外の支持塩は採用しないことが望ましい。   The nonaqueous electrolyte battery of this embodiment employs at least one of the following configurations (a) to (c). High durability is realizable by employ | adopting 1 or 2 or more of these structures. In addition, when employ | adopting the structure of (a), it is desirable not to employ | adopt support salts other than this support salt.

(a)非水電解質は、Me(MeはLi、Na、K、Ca、及びAlからなる群から選択される;Xはビス(オキサラト)ホウ酸(bis(oxalate)borate:BOB)アニオン、マロナト−オキサラトホウ酸(malonato-oxalatoborate:MOB)アニオン、及びビス(マロナト)ホウ酸(bis(malonato)borate:BMB)アニオンからなる群から選択される;a、bはMeの酸化数に応じて1〜3から決定される整数)からなる支持塩を含むこと。Meは後述する正負極において吸蔵乃至放出される金属イオンに対応するものを選択することができる。
(b)後述する正極に含まれるラジカル材料に接触するようにルイス酸を含まず、且つ、その電池を60℃にて12日間保持したときに前記ラジカル材料に接触するようにルイス酸が生成しないこと。ここで、60℃、12日間保持で生成するとは、60℃超、又は12日間超の条件で生成した場合は含まれず、本要件(b)を満たす。反対に、これよりも穏やかな条件においてルイス酸を生じる場合には、ルイス酸を生成したとして、本要件(b)を満たさない。すなわち、60℃未満の温度であるか、12日未満の時間でルイス酸を生じた場合には本要件(b)を満たさない。
(c)後述する正極に含まれるラジカル材料に接触するように前述した化合物群Aを含まず、且つ、その電池を60℃にて12日間保持したときに前記ラジカル材料に接触するように化合物群Aが生成しないこと。ここで、60℃、12日間保持で生成するとは、60℃超、又は12日間超の条件で生成した場合は含まれず、本要件(c)を満たす。反対に、これよりも穏やかな条件において化合物群Aを生じる場合には、化合物群Aを生成したとして、本要件(c)を満たさない。すなわち、60℃未満の温度であるか、12日未満の時間で化合物群Aを生じた場合には本要件(c)を満たさない。
・正極
正極はラジカル材料に加えて、負極が吸蔵乃至放出する金属イオンを吸蔵乃至放出可能な正極活物質を有することができる。正極活物質を有しない場合には外部に存在する酸素を正極活物質にするため、外部から酸素を取込可能な酸素透過膜を正極にもつこともできる。酸素透過膜は酸素を選択的に透過する酸素富化膜、表裏面が連通する多孔質材料(ステンレス鋼、ニッケル、アルミニウム、銅などから構成される)、網・パンチングメタルなども採用できる。酸素透過膜は集電体を兼ねることが望ましい。多孔質材料の孔、網、パンチングメタルの孔などの中には、ラジカル材料などを充填した形態を採用することが望ましい。
(A) The non-aqueous electrolyte is Me a X b (Me is selected from the group consisting of Li, Na, K, Ca, and Al; X is bis (oxalate) borate (BOB) An anion, malonato-oxalatoborate (MOB) anion, and bis (malonato) borate (BMB) anion are selected; a and b depend on the oxidation number of Me A supporting salt consisting of an integer determined from 1 to 3). Me can select the thing corresponding to the metal ion occluded thru | or discharge | released in the positive / negative electrode mentioned later.
(B) It does not contain a Lewis acid so as to come into contact with the radical material contained in the positive electrode described later, and no Lewis acid is produced so as to come into contact with the radical material when the battery is held at 60 ° C. for 12 days. about. Here, producing | generating by 60 degreeC and holding | maintenance for 12 days does not include the case where it produces | generates on conditions exceeding 60 degreeC or more than 12 days, and satisfy | fills this requirement (b). On the other hand, when a Lewis acid is produced under milder conditions, this requirement (b) is not satisfied as a Lewis acid is produced. That is, this requirement (b) is not satisfied when the Lewis acid is generated at a temperature of less than 60 ° C. or less than 12 days.
(C) The compound group which does not include the above-described compound group A so as to come into contact with the radical material contained in the positive electrode, which will be described later, and comes into contact with the radical material when the battery is held at 60 ° C. for 12 days. A is not generated. Here, producing | generating by 60 degreeC and holding | maintenance for 12 days does not include the case where it produces | generates on the conditions over 60 degreeC or over 12 days, and satisfy | fills this requirement (c). On the other hand, when the compound group A is produced under milder conditions, this requirement (c) is not satisfied as the compound group A is generated. That is, this requirement (c) is not satisfied when the compound group A is produced at a temperature of less than 60 ° C. or less than 12 days.
-Positive electrode In addition to a radical material, a positive electrode can have the positive electrode active material which can occlude or discharge | release the metal ion which a negative electrode occludes or discharge | releases. When there is no positive electrode active material, oxygen present outside is used as the positive electrode active material, so that an oxygen permeable membrane capable of taking in oxygen from the outside can be provided on the positive electrode. As the oxygen permeable membrane, an oxygen-enriched membrane that selectively permeates oxygen, a porous material (including stainless steel, nickel, aluminum, copper, etc.) that communicates with the front and back surfaces, a net, a punching metal, and the like can be used. It is desirable that the oxygen permeable membrane also serves as a current collector. It is desirable to adopt a form filled with a radical material or the like in the pores of the porous material, the net, the holes of the punching metal, and the like.

ラジカル材料としては特に限定しないが、電池雰囲気内で安定して存在可能なものが望ましい。ここで、安定して存在可能なラジカルとは、長期間経過後もラジカル構造が保持できているもので、ラジカルの存在はESRにて測定することができる。   Although it does not specifically limit as a radical material, The thing which can exist stably in a battery atmosphere is desirable. Here, the radical that can exist stably is one in which the radical structure can be maintained even after a long period of time, and the presence of the radical can be measured by ESR.

ラジカル材料としては以下のようなラジカル骨格をもつ化合物が挙げられる。ラジカル骨格以外の部分の化学構造は、ラジカルと電子的に相互作用するものであっても、しないものであっても、そのラジカルが安定なものになる限りにおいて特に限定しない。例えば、何らかの高分子化合物にラジカル骨格を結合させることも可能である。   Examples of the radical material include compounds having the following radical skeleton. The chemical structure of the portion other than the radical skeleton is not particularly limited as long as the radical becomes stable, whether or not it interacts electronically with the radical. For example, the radical skeleton can be bonded to some polymer compound.

採用できるラジカル骨格を以下に例示する。例えば、ニトロキシルラジカルを有する骨格、オキシラジカルを有する骨格、窒素ラジカルを有する骨格、硫黄ラジカルを有する骨格、炭素ラジカルを有する骨格及びホウ素ラジカルを有する骨格からなる群より選ばれたものが好ましい。具体的には、式(1)〜(9)に示すようなニトロキシルラジカルを有する骨格、式(10)に示すようなフェノキシラジカル(オキシラジカル)を有する骨格、式(11)〜(13)に示すようなヒドラジルラジカル(窒素ラジカル)を有する骨格、式(14),(15)に示すような炭素ラジカルを有する骨格などが挙げられる。このうち、特にニトロキシルラジカルを有する骨格が好ましく、例えば、2,2,6,6−テトラアルキル−1−オキシルピペリジニル骨格(式(1)参照:2,2,6,6−テトラメチル−1−ピペリジニルオキシ(TEMPO)、4−ヒドロキシ−2,2,6,6−テトラメチルピペリジニルオキシ(4−ヒドロキシ−TEMPO)、3−カルバモイル−2,2,5,5−テトラメチルピロリジン−1−イロキシ(3−カルバモイル−PROXYL)、又は3−カルボキシ−2,2,5,5−テトラメチル−1−ピロリジニルオキシ(3−カルボキシ−PROXYL)など)、2,2,5,5−テトラアルキル−1−オキシルピロリニル骨格(式(2)参照)及び2,2,5,5−テトラアルキル−1−オキシルピロリジニル骨格(式(3)参照)からなる群より選ばれたものが好ましい。これらの骨格そのまま、又は骨格の何れかの原子を介して高分子化合物に結合していても良い。高分子化合物としてはポリ(メタ)アクリル酸アルキルエステル、ポリアクリロニトリル、ポリオレフィン、ポリスチレン、ポリアニリン、ポリピロールなどである。   Examples of the radical skeleton that can be employed are shown below. For example, those selected from the group consisting of a skeleton having a nitroxyl radical, a skeleton having an oxy radical, a skeleton having a nitrogen radical, a skeleton having a sulfur radical, a skeleton having a carbon radical, and a skeleton having a boron radical are preferable. Specifically, a skeleton having a nitroxyl radical as shown in formulas (1) to (9), a skeleton having a phenoxy radical (oxy radical) as shown in formula (10), and formulas (11) to (13) And a skeleton having a hydrazyl radical (nitrogen radical), a skeleton having a carbon radical as shown in formulas (14) and (15), and the like. Among these, a skeleton having a nitroxyl radical is particularly preferable. For example, a 2,2,6,6-tetraalkyl-1-oxylpiperidinyl skeleton (see formula (1): 2,2,6,6-tetramethyl) -1-piperidinyloxy (TEMPO), 4-hydroxy-2,2,6,6-tetramethylpiperidinyloxy (4-hydroxy-TEMPO), 3-carbamoyl-2,2,5,5-tetra Methylpyrrolidine-1-yloxy (3-carbamoyl-PROXYL), or 3-carboxy-2,2,5,5-tetramethyl-1-pyrrolidinyloxy (3-carboxy-PROXYL), 2,2, 5,5-tetraalkyl-1-oxylpyrrolinyl skeleton (see formula (2)) and 2,2,5,5-tetraalkyl-1-oxylpyrrolidinyl skeleton (formula ( ) Those selected from the group consisting of the reference) is preferred. These skeletons may be bonded to the polymer compound as they are or through any atom of the skeleton. Examples of the polymer compound include poly (meth) acrylic acid alkyl ester, polyacrylonitrile, polyolefin, polystyrene, polyaniline, and polypyrrole.

Figure 0005573749
Figure 0005573749

これらの骨格そのままの化合物としても良いし、又は、骨格の何れかの原子を介して高分子化合物に結合した高分子化合物として用いても良い。高分子化合物としてはポリ(メタ)アクリル酸アルキルエステル、ポリアクリロニトリル、ポリオレフィン、ポリスチレン、ポリアニリン、ポリピロールなどに上述の骨格を結合した化合物が挙げられる。     These skeletons may be used as they are, or may be used as polymer compounds bonded to the polymer compound via any atom of the skeleton. Examples of the polymer compound include compounds in which the above skeleton is bonded to poly (meth) acrylic acid alkyl ester, polyacrylonitrile, polyolefin, polystyrene, polyaniline, polypyrrole, and the like.

ラジカル材料としては、前述したような安定なラジカル骨格が多環式芳香環に連結した構造を有する化合物としてもよい。多環式芳香環としては、例えばナフタレン、フェナレン、トリフェニレン、アントラセン、ペリレン、フェナントレン、及びピレンからなる群より選ばれたものが好ましく、特にピレンが好ましい。また、多環式芳香環は、アミド結合、エステル結合、ウレア結合、ウレタン結合、カルバミド結合、エーテル結合、及びスルフィド結合からなる群より選ばれたものをスペーサとしそのスペーサを介してラジカル骨格に連結していてもよい。   The radical material may be a compound having a structure in which a stable radical skeleton as described above is linked to a polycyclic aromatic ring. As the polycyclic aromatic ring, for example, those selected from the group consisting of naphthalene, phenalene, triphenylene, anthracene, perylene, phenanthrene, and pyrene are preferable, and pyrene is particularly preferable. The polycyclic aromatic ring is a member selected from the group consisting of an amide bond, an ester bond, a urea bond, a urethane bond, a carbamide bond, an ether bond, and a sulfide bond, and is connected to the radical skeleton through the spacer. You may do it.

多環式芳香環は、このようなスペーサを介さずに直接ラジカル骨格に連結していてもよいが、このようなスペーサを介してラジカル骨格に連結していた方が合成が容易なため好ましい。また、多環式芳香環とスペーサとの間にアルキレン鎖が存在していてもよいし、ラジカル骨格とスペーサとの間にアルキレン鎖が存在していてもよい。多環式芳香環は、一つのラジカル骨格に対して一つだけ連結していてもよいが、複数連結していてもよい。その場合、複数の多環式芳香環はすべて同種であってもよいしすべて異種であってもよいし一部は同種で他は異種であってもよい。あるいは、一つの多環式芳香環が複数のラジカル骨格に連結していてもよい。その場合、複数のラジカル骨格はすべて同種であってもよいしすべて異種であってもよいし一部は同種で他は異種であってもよい。ラジカル骨格は、骨格内に一つのラジカルを有していてもよいし、複数のラジカルを有していてもよい。   The polycyclic aromatic ring may be directly connected to the radical skeleton without using such a spacer, but it is preferable that the polycyclic aromatic ring is connected to the radical skeleton through such a spacer because synthesis is easy. Further, an alkylene chain may exist between the polycyclic aromatic ring and the spacer, or an alkylene chain may exist between the radical skeleton and the spacer. Only one polycyclic aromatic ring may be connected to one radical skeleton, or a plurality of polycyclic aromatic rings may be connected. In that case, all of the plurality of polycyclic aromatic rings may be the same or different, or some may be the same and others may be different. Alternatively, one polycyclic aromatic ring may be connected to a plurality of radical skeletons. In that case, all of the plurality of radical skeletons may be the same or different, or some may be the same and others may be different. The radical skeleton may have one radical in the skeleton or may have a plurality of radicals.

正極は、ラジカル材料を担体に担持したものとしてもよい。担体としては、例えば炭素材料が挙げられる。炭素材料としては、ケッチェンブラック、アセチレンブラック、チャンネルブラック、ファーネスブラック、ランプブラック、サーマルブラック等のカーボンブラック類でもよいし、鱗片状黒鉛のような天然黒鉛、人造黒鉛、膨張黒鉛等のグラファイト類でもよいし、木炭や石炭などを原料とする活性炭類でもよいし、合成繊維や石油ピッチ系原料などを炭化した炭素繊維類でもよいし、フラーレンのような分子状炭素類やカーボンナノチューブのようなチューブ状炭素類などとしてもよい。また、正極は、上述したラジカル材料が正極の総質量(集電体を含んだ質量でも良いが、特に集電体の質量を除いたものを基準とすることが望ましい)に対して0.01〜60質量%を占めていることが好ましく、55質量%以下を占めていることがより好ましく、0.01〜50質量%を占めていることが更に好ましい。0.01質量%以上含有させることにより触媒の効果が十分に得られるし、60質量%以下では正極に含まれる他の成分(導電材や結着材など)が相対的に低くなりすぎることがないため導電性や機械的強度を充分に保つことができる。こうしたカーボンは後述する導電材を兼ねてもよい。   The positive electrode may have a radical material supported on a carrier. Examples of the carrier include a carbon material. The carbon material may be carbon blacks such as ketjen black, acetylene black, channel black, furnace black, lamp black, thermal black and the like, or natural graphite such as flake graphite, graphite such as artificial graphite and expanded graphite. However, it may be activated carbon made from charcoal or coal, carbon fibers made from carbonized synthetic fibers or petroleum pitch-based materials, molecular carbons like fullerenes, carbon nanotubes, etc. It is good also as tube-like carbons. Further, in the positive electrode, the radical material described above is 0.01 relative to the total mass of the positive electrode (which may be the mass including the current collector, but is preferably based on the mass excluding the current collector). It is preferable to occupy ˜60% by mass, more preferably occupy 55% by mass or less, and further preferably occupy 0.01 to 50% by mass. By containing 0.01% by mass or more, the effect of the catalyst can be sufficiently obtained, and when it is 60% by mass or less, other components (conductive material, binder, etc.) contained in the positive electrode are relatively low. Therefore, the electrical conductivity and mechanical strength can be sufficiently maintained. Such carbon may also serve as a conductive material described later.

ラジカル材料は、担体上に単分子担持されていることが好ましい。ここで、「単分子担持」とは、ラジカル材料が凝集せず、単分子状態にまで分散した状態で担体上に担持されていることをいう。ラジカル材料の全部の分子が単分子担持されていてもよいし、一部の分子が単分子担持されているものとしてもよい。なお、ラジカル材料は、触媒機能を発揮する観点から、より多くのラジカル材料が単分子担持されている方がより好ましい。   The radical material is preferably supported on a single molecule on a carrier. Here, “single molecule support” means that the radical material is not aggregated but is supported on the carrier in a dispersed state to a single molecule state. All the molecules of the radical material may be supported by a single molecule, or a part of the molecules may be supported by a single molecule. In addition, it is more preferable that more radical materials carry a single molecule from the viewpoint of exhibiting a catalytic function.

このラジカル材料は、超音波を照射する処理を施されて担体に担持されていることが好ましい。超音波処理は、ラジカル材料と担体と適正な溶媒とを混合した混合溶液を調製した後、この混合溶液に対して超音波発生器を用いて超音波を照射する処理としてもよい。そして、濾別したり、噴霧乾燥することによりこの混合溶液から担体上に担持されたラジカル材料を得ることができる。この混合溶液は、担体に対する質量でラジカル材料が10質量%〜50質量%含まれていることが好ましい。溶媒としては、アセトン、アルコールなどの有機溶媒を用いることが好ましい。超音波の照射時間は、例えば1時間以上10時間以下とすることができる。この単分子担持するラジカル材料は、多環式芳香環が安定なラジカル骨格に連結した構造を有する化合物であることが好ましく、担体は、環状構造を有する炭素材料であることが好ましく、π結合を有するものがより好ましい。こうすれば、ラジカル材料に含まれる多環式芳香環と担体の炭素質の環状構造との間で、π−π相互作用によりラジカル材料が担体に充分に担持されるため、単分子担持しやすくなるため好ましい。このとき、ラジカル材料としては、多環式芳香環としてナフタレン環、アントラセン環、フェナントレン環及びピレン環などを含むものが好ましく、特にピレン環を含むものが好ましい。担体としては、環状構造を有する炭素材料としてカーボンブラック類、グラファイト類、チューブ状炭素類などが好ましい。   This radical material is preferably carried on a carrier after being subjected to a treatment of irradiating ultrasonic waves. The ultrasonic treatment may be a treatment in which, after preparing a mixed solution in which a radical material, a carrier, and an appropriate solvent are mixed, this mixed solution is irradiated with ultrasonic waves using an ultrasonic generator. The radical material supported on the carrier can be obtained from this mixed solution by filtering or spray drying. This mixed solution preferably contains 10% by mass to 50% by mass of the radical material by mass with respect to the carrier. As the solvent, an organic solvent such as acetone or alcohol is preferably used. The irradiation time of ultrasonic waves can be, for example, 1 hour or more and 10 hours or less. This single molecule-supported radical material is preferably a compound having a structure in which a polycyclic aromatic ring is linked to a stable radical skeleton, and the carrier is preferably a carbon material having a cyclic structure, and has a π bond. What has is more preferable. In this way, the radical material is sufficiently supported on the carrier by the π-π interaction between the polycyclic aromatic ring contained in the radical material and the carbonaceous ring structure of the carrier, so that it is easy to carry a single molecule. Therefore, it is preferable. In this case, the radical material preferably includes a naphthalene ring, an anthracene ring, a phenanthrene ring, a pyrene ring and the like as a polycyclic aromatic ring, and particularly preferably includes a pyrene ring. As the carrier, carbon blacks, graphites, tubular carbons and the like are preferable as carbon materials having a cyclic structure.

正極は導電材を含んでいてもよい。導電材としては、導電性を有する材料であれば特に限定されない。例えば、上述したカーボンブラック類でもよいし、グラファイト類でもよいし、活性炭類でもよいし、炭素繊維類でもよい。また、金属繊維などの導電性繊維類でもよいし、銅や銀、ニッケル、アルミニウムなどからなる金属粉末類でもよいし、ポリフェニレン誘導体などの有機導電性材料でもよい。また、これらを単体で用いてもよいし、複数を混合して用いてもよい。   The positive electrode may contain a conductive material. The conductive material is not particularly limited as long as it is a conductive material. For example, the above-described carbon blacks, graphites, activated carbons, or carbon fibers may be used. Further, conductive fibers such as metal fibers, metal powders made of copper, silver, nickel, aluminum, or the like, or organic conductive materials such as polyphenylene derivatives may be used. These may be used alone or in combination.

正極は、結着材を含んでいてもよい。結着材としては、特に限定されるものではないが、熱可塑性樹脂や熱硬化性樹脂などが挙げられる。例えば、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)、スチレンブタジエンゴム、テトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロエチレン共重合体、テトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体(FEP)、テトラフルオロエチレン−パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体(PFA)、フッ化ビニリデン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体、フッ化ビニリデン−クロロトリフルオロエチレン共重合体、エチレン−テトラフルオロエチレン共重合体(ETFE樹脂)、ポリクロロトリフルオロエチレン(PCTFE)、フッ化ビニリデン−ペンタフルオロプロピレン共重合体、プロピレン−テトラフルオロエチレン共重合体、エチレン−クロロトリフルオロエチレン共重合体(ECTFE)、フッ化ビニリデン−ヘキサフルオロプロピレン−テトラフルオロエチレン共重合体、フッ化ビニリデン−パーフルオロメチルビニルエーテル−テトラフルオロエチレン共重合体、エチレン−アクリル酸共重合体などが挙げられる。これらの材料は単独で用いてもよいし、複数を混合して用いてもよい。   The positive electrode may contain a binder. Although it does not specifically limit as a binder, A thermoplastic resin, a thermosetting resin, etc. are mentioned. For example, polyethylene, polypropylene, polytetrafluoroethylene (PTFE), polyvinylidene fluoride (PVDF), styrene butadiene rubber, tetrafluoroethylene-hexafluoroethylene copolymer, tetrafluoroethylene-hexafluoropropylene copolymer (FEP), Tetrafluoroethylene-perfluoroalkyl vinyl ether copolymer (PFA), vinylidene fluoride-hexafluoropropylene copolymer, vinylidene fluoride-chlorotrifluoroethylene copolymer, ethylene-tetrafluoroethylene copolymer (ETFE resin) , Polychlorotrifluoroethylene (PCTFE), vinylidene fluoride-pentafluoropropylene copolymer, propylene-tetrafluoroethylene copolymer, ethylene-chlorotrif Examples include olefin copolymer (ECTFE), vinylidene fluoride-hexafluoropropylene-tetrafluoroethylene copolymer, vinylidene fluoride-perfluoromethyl vinyl ether-tetrafluoroethylene copolymer, and ethylene-acrylic acid copolymer. . These materials may be used alone or in combination.

正極は、上記ラジカル材料に加えて、必要に応じて加えられる、正極活物質、担体、導電材、結着材を混合したあと、集電体にプレス成形して形成してもよい。集電体としては、酸素の拡散を速やかに行わせるため、網状やメッシュ状など多孔体を用いることが好ましく、ステンレス鋼やニッケル、アルミニウム、銅などの多孔体の金属板を用いることができる。なお、この集電体は、酸化を抑制するためにその表面に耐酸化性の金属または合金の被膜を被覆してもよい。   The positive electrode may be formed by mixing a positive electrode active material, a carrier, a conductive material, and a binder, which are added as necessary, in addition to the radical material, and then press-molding the current collector. As the current collector, a porous body such as a net or mesh is preferably used in order to allow oxygen to diffuse quickly, and a porous metal plate such as stainless steel, nickel, aluminum, or copper can be used. The current collector may be coated with an oxidation-resistant metal or alloy film on its surface in order to suppress oxidation.

正極が含有可能な活物質としては、酸化物型正極活物質、有機系正極活物質、及び無機系正極活物質からなる群から選択される1種又は2種以上の材料から構成することができる。   The active material that can be contained in the positive electrode can be composed of one or more materials selected from the group consisting of an oxide positive active material, an organic positive active material, and an inorganic positive active material. .

金属イオンとしてリチウムイオンを用いた電池に採用する活物質を以下に例示する。酸化物型正極活物質はLiNiO、LiCoO、LiMn、LiFePOが例示できる。酸化物型正極活物質としては、Li(1−x)MnO、Li(1−x)Mn、Li(1−x)CoO、Li(1−x)NiO、Vを挙げることもできる。ここで、xは0〜1を示す。さらに、Li1−xMn2+x、LiNi1−xCoなどのようにLiMn、LiNiOの遷移金属元素の一部を少なくとも1種類以上の他の遷移金属元素あるいはLiで置き換えたものを挙げることもできる。有機系正極活物質はポリアニリン、ポリピロール、及び2,5−ジメルカプト−1,3,4−チアゾールのうちの少なくとも1つである。無機系正極活物質はフッ化物ペロブスカイト(MF:MはFe,V,Ti,Co,及びMnのうちの何れか)が例示できる。
・負極
負極は金属イオンを吸蔵乃至放出可能な負極活物質から形成されるか、負極活物質を含む。負極は集電体をもつことができる。負極集電体としては、例えば、銅、ニッケルなどを網、パンチドメタル、フォームメタル、板状、箔状などの形態とすることができる。負極集電体としては電池筐体を兼用することもできる。
The active material employ | adopted for the battery using lithium ion as a metal ion is illustrated below. Examples of the oxide-type positive electrode active material include LiNiO 2 , LiCoO 2 , LiMn 2 O 4 , and LiFePO 4 . Examples of the oxide-type positive electrode active material include Li (1-x) MnO 2 , Li (1-x) Mn 2 O 4 , Li (1-x) CoO 2 , Li (1-x) NiO 2 , V 2 O. 5 can also be mentioned. Here, x shows 0-1. Furthermore, a part of the transition metal element of LiMn 2 O 4 , LiNiO 2 such as Li 1-x Mn 2 + x O 4 , LiNi 1-x Co x O 2, etc. is at least one or more other transition metal elements or Li You can also list what you have replaced with. The organic positive electrode active material is at least one of polyaniline, polypyrrole, and 2,5-dimercapto-1,3,4-thiazole. An example of the inorganic positive electrode active material is fluoride perovskite (MF 3 : M is any one of Fe, V, Ti, Co, and Mn).
-Negative electrode A negative electrode is formed from the negative electrode active material which can occlude or discharge | release metal ion, or contains a negative electrode active material. The negative electrode can have a current collector. As a negative electrode collector, copper, nickel, etc. can be made into forms, such as a net | network, a punched metal, foam metal, plate shape, foil shape, for example. A battery casing can also be used as the negative electrode current collector.

負極活物質は、金属リチウム,リチウム合金,リチウムの吸蔵と放出が可能な金属材料,リチウムの吸蔵と放出が可能な合金材料(金属のみからなる合金はもちろん、金属と半金属との合金をも含む概念として用いる。その組織には固溶体、共晶(共融混合物)、金属間化合物あるいはそれらのうち2種以上が共存するものがある。)、及びリチウムの吸蔵と放出が可能な化合物(炭素材料なども含む)からなる群から選択される1種又は2種以上の負極材料である。   Negative electrode active materials include metallic lithium, lithium alloys, metal materials that can store and release lithium, and alloy materials that can store and release lithium (not only alloys consisting of metals but also alloys of metals and metalloids). The structure includes solid solution, eutectic (eutectic mixture), intermetallic compounds or compounds in which two or more of them coexist), and compounds capable of occluding and releasing lithium (carbon 1 type or 2 types or more of negative electrode materials selected from the group which consists of material etc.).

金属材料及び合金材料を構成できる金属元素及び半金属元素としては、スズ(Sn)、鉛(Pb)、アルミニウム(Al)、インジウム(In)、ケイ素(Si)、亜鉛(Zn)、アンチモン(Sb)、ビスマス(Bi)、カドミウム(Cd)、マグネシウム(Mg)、ホウ素(B)、ガリウム(Ga)、ゲルマニウム(Ge)、ヒ素(As)、銀(Ag)、ジルコニウム(Zr)、イットリウム(Y)、ハフニウム(Hf)が例示できる。これらの合金材料あるいは化合物としては、化学式MaMbLi、あるいは化学式MaMcMdで表されるものが挙げられる。これら化学式において、Maはリチウムと合金を形成可能な金属元素及び半金属元素のうちの少なくとも1種を表し、Mbはリチウム及びMa以外の金属元素及び半金属元素のうちの少なくとも1種を表し、Mcは非金属元素の少なくとも1種を表し、MdはMa以外の金属元素及び半金属元素のうちの少なくとも1種を表す。また、f、g、h、s、t、及びuの値はそれぞれf>0、g≧0、h≧0、s>0、t>0、u≧0である。 Metal elements and metalloid elements that can constitute metal materials and alloy materials include tin (Sn), lead (Pb), aluminum (Al), indium (In), silicon (Si), zinc (Zn), and antimony (Sb). ), Bismuth (Bi), cadmium (Cd), magnesium (Mg), boron (B), gallium (Ga), germanium (Ge), arsenic (As), silver (Ag), zirconium (Zr), yttrium (Y ) And hafnium (Hf). Examples of these alloy materials or compounds include those represented by the chemical formula Ma f Mb g Li h or the chemical formula Ma s Mc t Md u . In these chemical formulas, Ma represents at least one of a metal element and a metalloid element capable of forming an alloy with lithium, Mb represents at least one of a metal element and a metalloid element other than lithium and Ma, Mc represents at least one of non-metallic elements, and Md represents at least one of metallic elements and metalloid elements other than Ma. The values of f, g, h, s, t, and u are f> 0, g ≧ 0, h ≧ 0, s> 0, t> 0, and u ≧ 0, respectively.

なかでも、短周期型周期表における4B族の金属元素あるいは半金属元素の単体、合金または化合物が好ましく、特に好ましいのはケイ素(Si)あるいはスズ(Sn)、またはこれらの合金あるいは化合物である。これらは結晶質のものでもアモルファスのものでもよい。   Among these, a simple substance, alloy or compound of Group 4B metal element or semimetal element in the short-period type periodic table is preferable, and silicon (Si) or tin (Sn), or an alloy or compound thereof is particularly preferable. These may be crystalline or amorphous.

リチウムを吸蔵・放出可能な負極材料としては、さらに、酸化物、硫化物、あるいはLiNなどのリチウム窒化物などの他の金属化合物が挙げられる。酸化物としては、MnO、V、V13、NiS、MoSなどが挙げられる。その他、比較的電位が卑でリチウムを吸蔵及び放出することが可能な酸化物として、例えば酸化鉄、酸化ルテニウム、酸化モリブデン、酸化タングステン、酸化チタン、酸化スズなどが挙げられる。硫化物としてはNiS、MoSなどが挙げられる。 Examples of the anode material capable of inserting and extracting lithium further include other metal compounds such as oxide, sulfide, or lithium nitride such as LiN 3 . Examples of the oxide include MnO 2 , V 2 O 5 , V 6 O 13 , NiS, and MoS. In addition, examples of the oxide that has a relatively low potential and can occlude and release lithium include iron oxide, ruthenium oxide, molybdenum oxide, tungsten oxide, titanium oxide, and tin oxide. Examples of the sulfide include NiS and MoS.

負極活物質としては、そのまま用いることもできるし、その他必要な構成要素と共に用いることもできる。その他必要な構成要素としては、結着材などを採用することができる。結着材は、負極層内に含む構成要素間、構成要素と負極集電体との間をつなぎ止める作用を有する。結着材としては、有機系結着材や、無機系結着材を用いることができ、正極の欄において例示した結着材を挙げることができ、望ましくは、PVDF、ポリ塩化ビニリデン、PTFE、CMC等の化合物を挙げることができる。   The negative electrode active material can be used as it is, or can be used together with other necessary components. As other necessary components, a binder or the like can be employed. The binder has an action of connecting between the constituent elements included in the negative electrode layer and between the constituent elements and the negative electrode current collector. As the binder, organic binders and inorganic binders can be used, and the binders exemplified in the column of the positive electrode can be mentioned. Desirably, PVDF, polyvinylidene chloride, PTFE, Mention may be made of compounds such as CMC.

非水電解質は前述の金属イオンが伝導可能な非水電解質である。例えば、非水溶媒に対して、正負極が吸蔵乃至放出する金属イオンに対応する金属イオンを含む支持塩を溶解させたものが例示できる。非水電解質は正極と負極との間に介設され、両者の間の金属イオンの伝導の媒体になる。支持塩としては前述の(a)の構成をもつものなど、ルイス酸(及び/又は化合物群A)を生成及び含有しない化合物が採用できる。支持塩の濃度としては、0.1〜2.0Mであることが好ましく、0.8〜1.2Mであることがより好ましい。   The non-aqueous electrolyte is a non-aqueous electrolyte capable of conducting the aforementioned metal ions. For example, what melt | dissolved the support salt containing the metal ion corresponding to the metal ion which occlusion thru | or discharge | releases by a positive / negative electrode with respect to a nonaqueous solvent can be illustrated. The non-aqueous electrolyte is interposed between the positive electrode and the negative electrode and becomes a medium for conducting metal ions between the two. As the supporting salt, a compound that does not generate and contain a Lewis acid (and / or compound group A), such as those having the above-described configuration (a), can be employed. The concentration of the supporting salt is preferably 0.1 to 2.0M, and more preferably 0.8 to 1.2M.

非水溶媒としては、非プロトン性の有機溶媒を用いることができる。このような有機溶媒としては、環状カーボネート、鎖状カーボネート、環状エステル、環状エーテル、鎖状エーテル等が挙げられる。環状カーボネートとしては、エチレンカーボネート(EC)、プロピレンカーボネート、ブチレンカーボネート、ビニレンカーボネート等がある。鎖状カーボネートとしては、ジメチルカーボネート(DMC)、ジエチルカーボネート、エチルメチルカーボネート(EMC)等がある。環状エステルカーボネートとしては、ガンマブチロラクトン、ガンマバレロラクトン等がある。環状エーテルとしては、テトラヒドロフラン、2−メチルテトラヒドロフラン等がある。鎖状エーテルとしては、ジメトキシエタン、エチレングリコールジメチルエーテル等がある。これらは単独で用いてもよいし、複数を混合して用いてもよい。また、イオン伝導体としては、そのほかにイオン液体やゲル電解質、固体電解質などを用いてもよい。   As the non-aqueous solvent, an aprotic organic solvent can be used. Examples of such organic solvents include cyclic carbonates, chain carbonates, cyclic esters, cyclic ethers, chain ethers, and the like. Examples of the cyclic carbonate include ethylene carbonate (EC), propylene carbonate, butylene carbonate, vinylene carbonate and the like. Examples of the chain carbonate include dimethyl carbonate (DMC), diethyl carbonate, and ethyl methyl carbonate (EMC). Examples of the cyclic ester carbonate include gamma butyrolactone and gamma valerolactone. Examples of the cyclic ether include tetrahydrofuran and 2-methyltetrahydrofuran. Examples of the chain ether include dimethoxyethane and ethylene glycol dimethyl ether. These may be used alone or in combination. In addition, as the ionic conductor, an ionic liquid, a gel electrolyte, a solid electrolyte, or the like may be used.

本実施形態の電池は正極及び負極の間に介設されるセパレータ、正負極及び非水電解質を収納する電池ケースなどを備えることができる。セパレータとしては電池内の雰囲気下で安定に存在できる多孔質膜、不織布などを用いることができる。例えばポリオレフィン、ポリエステルなどからセパレータを構成できる。電池ケースも電池内の雰囲気下に対して安定な材料から形成可能である。また、前述したように、正極及び/又は負極における集電体を兼ねることもできるし、外部との電力のやりとりを行う電極端子を兼ねることもできる。   The battery according to the present embodiment can include a separator interposed between the positive electrode and the negative electrode, a battery case that stores the positive and negative electrodes, and the nonaqueous electrolyte. As the separator, a porous film or a non-woven fabric that can exist stably in the atmosphere in the battery can be used. For example, a separator can be comprised from polyolefin, polyester, etc. The battery case can also be formed from a material that is stable against the atmosphere in the battery. Further, as described above, it can also serve as a current collector for the positive electrode and / or the negative electrode, and can also serve as an electrode terminal for exchanging electric power with the outside.

本発明の非水電解質電池について以下の実施例に基づき更に詳細に説明を行う。以下の試験では、ラジカル材料を幾つかの非水電解質中にて保存したときのラジカル材料の安定性について評価を行い、電解質(特に支持塩)の種類とラジカル材料の安定性との関係について考察した。
(試験例1)
ECとDMCとEMCとを体積比で30:30:40になるように混合した、非水溶媒としての混合溶媒に対して、支持塩としてのLiBOBを0.1mol/Lの濃度で添加して試験例1の非水電解質とした。試験例1の非水溶媒に対して、ラジカル材料としての4−ヒドロキシ−TEMPOを0.01Mの濃度になるように添加して、試験例1の試験溶液とした。
The nonaqueous electrolyte battery of the present invention will be described in more detail based on the following examples. In the following tests, we evaluate the stability of radical materials when they are stored in several non-aqueous electrolytes, and consider the relationship between the type of electrolyte (especially the supporting salt) and the stability of the radical material. did.
(Test Example 1)
LiBOB as a supporting salt was added at a concentration of 0.1 mol / L to a mixed solvent as a non-aqueous solvent in which EC, DMC, and EMC were mixed at a volume ratio of 30:30:40. The nonaqueous electrolyte of Test Example 1 was obtained. To the non-aqueous solvent of Test Example 1, 4-hydroxy-TEMPO as a radical material was added so as to have a concentration of 0.01 M to obtain a test solution of Test Example 1.

試験例1の試験溶液に対して、不活性雰囲気下、室温及び60℃で12日間放置した後、作用極に白金電極、対電極および参照電極に金属リチウムを用い、走査速度100mV/sにてサイクリックボルタンメトリーによりサイクリックボルタモグラムを測定した。結果を図1の実線(室温放置)、破線(60℃放置)に示す。
(試験例2及び3)
試験例1における支持塩(LiBOB)に変えて、試験例2ではLiPF、試験例3ではLiBFを同濃度(0.1mol/L)で用いた以外は同じ構成の試験溶液を調製し、試験例1と同様の試験を行った。結果を図2(試験例2、実線:室温放置、破線:60℃放置)、図3(試験例3、実線:室温放置、破線:60℃放置)に示す。
(考察)
図1より明らかなように、試験例1の試験溶液では室温放置も60℃放置も双方共にアニオンの吸着・脱離の進行が認められ、ラジカル化合物が作用していることが分かった。それに対して、図2及び3より明らかなように、今回の混合溶媒中においてルイス酸を生成する支持塩である、LiPF及びLiBFを含有する、試験例2及び3の試験溶液では室温放置ではアニオンの授受が観察されたが、60℃放置ではアニオンの授受の進行が少なくなる(試験例2では殆ど観察されず、試験例3では大きく損なわれている)ことが明らかになった。ここで、この試験溶液内ではラジカル材料に対して接触可能(非水電解質内)なルイス酸を含有している。
The test solution of Test Example 1 was allowed to stand at room temperature and 60 ° C. for 12 days in an inert atmosphere, and then a platinum electrode as a working electrode and metallic lithium as a counter electrode and a reference electrode at a scanning speed of 100 mV / s. Cyclic voltammograms were measured by cyclic voltammetry. The results are shown by the solid line (left at room temperature) and the broken line (left at 60 ° C.) in FIG.
(Test Examples 2 and 3)
In place of the supporting salt (LiBOB) in Test Example 1, a test solution having the same configuration was prepared except that LiPF 6 was used in Test Example 2 and LiBF 4 was used in Test Example 3 at the same concentration (0.1 mol / L). The same test as in Test Example 1 was performed. The results are shown in FIG. 2 (Test Example 2, solid line: left at room temperature, broken line: left at 60 ° C.) and FIG. 3 (Test Example 3, solid line: left at room temperature, broken line: left at 60 ° C.).
(Discussion)
As is clear from FIG. 1, in the test solution of Test Example 1, the adsorption / desorption of anions was observed both at room temperature and at 60 ° C., indicating that the radical compound was acting. On the other hand, as is clear from FIGS. 2 and 3, the test solutions of Test Examples 2 and 3 containing LiPF 6 and LiBF 4 which are support salts that generate Lewis acid in the present mixed solvent were allowed to stand at room temperature. In Fig. 5, anion transfer was observed, but it was revealed that the progress of anion transfer was less when left at 60 ° C (it was hardly observed in Test Example 2 and was greatly impaired in Test Example 3). Here, the test solution contains a Lewis acid that can contact the radical material (within the nonaqueous electrolyte).

従って、ラジカル材料に対して接触可能な形態でルイス酸を含むことで、程度の差こそあるもののラジカル材料が失活することが明らかになった。すなわち、ラジカル材料に接触するようにルイス酸を含有させない(途中でルイス酸が生成する場合も含まれるものと推測される)ことでラジカル材料の失活、すなわち、ラジカル材料を電池に適用した場合の電池性能の低下を抑制できることが分かった。   Therefore, it has been clarified that the radical material is deactivated to some extent by including the Lewis acid in a form that can contact the radical material. That is, the Lewis acid is not included so as to come into contact with the radical material (it is estimated that the Lewis acid may be generated in the middle), that is, when the radical material is applied to the battery. It was found that the decrease in battery performance can be suppressed.

この機構を推測すると、図4に示すようなものが例示できる。すなわち、LiPFやLiBFでは解離したアニオンが60℃放置でルイス酸に変化し、ラジカル材料がもつラジカルとルイス酸との強固な相互作用の生起、ラジカル自体の分解、あるいは電解液溶媒の分解が考えられるため、その後にアニオンを授受しようとしてもルイス酸が邪魔してアニオンの授受が進行しないものと推測される。それに対して、LiBOBが解離して生成するアニオンは60℃放置してもルイス酸に変化せず、ラジカル材料がもつラジカルとは強固な結合を生起しないために、その後にアニオンを授受しようとしたときに、そのアニオンの授受が邪魔されることなく進行することができるものと推測できる。このように、ルイス酸はラジカル材料がもつラジカルに作用してアニオンの授受を阻害するため、ルイス酸は含有されず且つ生成しないことが望ましい。 Assuming this mechanism, the one shown in FIG. 4 can be exemplified. That is, in LiPF 6 and LiBF 4 , the dissociated anion changes to a Lewis acid when left at 60 ° C., causing a strong interaction between the radical of the radical material and the Lewis acid, decomposition of the radical itself, or decomposition of the electrolyte solvent. Therefore, it is presumed that the anion transfer will not proceed because the Lewis acid interferes with the anion transfer. On the other hand, the anion produced by dissociation of LiBOB does not change to Lewis acid even when left at 60 ° C., and does not cause a strong bond with the radical of the radical material. Sometimes, it can be assumed that the transfer of the anion can proceed without interruption. As described above, since the Lewis acid acts on the radical of the radical material and inhibits the exchange of anions, it is desirable that the Lewis acid is not contained and is not generated.

Claims (5)

ラジカル材料をもつ正極と、
金属イオン(Mイオン;MはLi、Na、K、Ca、Mg、Zn、Fe、及びAlからなる群から選択される)を吸蔵乃至放出可能な負極と、
前記正極及び前記負極の間に介設された非水電解質と、
を有する二次電池であって、
前記非水電解質は、Me(MeはLi、Na、K、Ca、及びAlからなる群から選択される;Xはビス(オキサラト)ホウ酸(bis(oxalate)borate)アニオン、マロナト−オキサラトホウ酸塩(malonato-oxalatoborate)アニオン、及びビス(マロナト)ホウ酸(bis(malonato)borate)アニオンからなる群から選択される;a、bはMeの酸化数に応じて1〜3から決定される整数)からなる支持塩を含み、且つ、前記ラジカル材料に接触するようにルイス酸を含有しないことを特徴とする非水電解質電池。
A positive electrode with a radical material;
A negative electrode capable of inserting or extracting metal ions (M ions; M is selected from the group consisting of Li, Na, K, Ca, Mg, Zn, Fe, and Al);
A non-aqueous electrolyte interposed between the positive electrode and the negative electrode ;
A secondary battery having
The non-aqueous electrolyte is Me a X b (Me is selected from the group consisting of Li, Na, K, Ca, and Al; X is a bis (oxalate) borate anion, malonato- Oxalatoborate (malonato-oxalatoborate) anion and bis (malonato) borate anion are selected from the group; a and b are determined from 1 to 3 depending on the oxidation number of Me that integer) the supporting salt viewed free consisting and non-aqueous electrolyte battery characterized by containing no Lewis acid to contact the radical material.
前記ルイス酸は、下記化合物群Aである請求項1に記載の非水電解質電池。
化合物群Aは、AsF、AgF、AgBF、BH、B、CaCl、(Cp)Os、(Cp)Ru、CuCl、Cu(BF、GaCl、GaF、Ga、GeF、GeH、HSO、HCOOH、HCN、HF、HCl、HBr、HI、Mg(CHSCH、MnCl、MoF、NaBF、NaB(C、NbCl、NH[B(CCH]、NHPF、NO(SbF)、NO(SbCl)、NO(BF)、PF、PF、Pd(CN)、PtCl、PtI、SbCl、SbF、SiCl、SiF、SF、SnH、SO、TiCl、WF、ZrCl、BX、AlX、SnX、SnX、MgX、TiX、PdX、CrX、FeX、CoX、NiX、SbX、InX、ZnX(XがF、Cl、Br、I、CFSO 、C 、C 、OCHCH である。)、Ho(CFSO、Ca(CFSO、Sc(CFSO、Y(CFSO、Ln(CFSO(LnはLa、Ce、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、又はLu)、BF−ジエチルエーテレート錯体、BF−酢酸錯体、BF−メチル−t−ブチルエーテル錯体、BF−ジ−n−ブチルエーテレート錯体、BF−ジメチルエーテレート錯体、BF−ジメチルスルフィド錯体、BF−フェノール錯体、BF−リン酸錯体、BF−テトラヒドロフラン錯体、トリフル酸、トリブチルボラン、トリブチルボレート、及びトリス(パーフルオロフェニル)ボランからなる群である。
The non-aqueous electrolyte battery according to claim 1, wherein the Lewis acid is the following compound group A.
Compound Group A includes AsF 5 , AgF, AgBF 4 , BH 3 , B 2 H 6 , CaCl 2 , (Cp) 2 Os, (Cp) 2 Ru, CuCl 2 , Cu (BF 4 ) 2 , GaCl 3 , GaF 3 , Ga 2 H 6 , GeF 4 , GeH 4 , H 2 SO 4 , HCOOH, HCN, HF, HCl, HBr, HI, Mg (CH 2 SCH 3 ) 2 , MnCl 2 , MoF 6 , NaBF 4 , NaB ( C 6 H 5 ) 4 , NbCl 5 , NH 4 [B (C 6 H 5 ) 3 CH 3 ], NH 4 PF 6 , NO 2 (SbF 6 ), NO (SbCl 6 ), NO 2 (BF 4 ), PF 3, PF 5, Pd ( CN) 2, PtCl 4, PtI 4, SbCl 3, SbF 6, SiCl 4, SiF 4, SF 4, SnH 4, SO 3, TiCl 3, WF 6 ZrCl 4, BX 3, AlX 3 , SnX 2, SnX 4, MgX 2, TiX 4, PdX 2, CrX 3, FeX 3, CoX 3, NiX 2, SbX 5, InX 3, ZnX 2 (X is F -, Cl , Br , I , CF 3 SO 3 , C 6 F 5 , C 6 H 5 , OCH 2 CH 3 ), Ho (CF 3 SO 3 ) 2 , Ca (CF 3 SO 3 ) 2 , Sc (CF 3 SO 3 ) 3 , Y (CF 3 SO 3 ) 3 , Ln (CF 3 SO 3 ) 3 (Ln is La, Ce, Pr, Nd, Pm, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, or Lu), BF 3 - diethyl etherate complex, BF 3 - acetic acid complex, BF 3 - methyl -t- butyl ether complex, BF 3 - di -n- butyl etherate Complex, F 3 - dimethyl etherate complex, BF 3 - dimethyl sulfide complex, BF 3 - phenol complex, BF 3 - phosphate complex, BF 3 - tetrahydrofuran complex, triflic acid, tributyl borane, tributyl borate, and tris (perfluorophenyl) A group of boranes.
前記ラジカル材料はニトロキシルラジカル化合物である請求項1又は2に記載の非水電解質電池。 The nonaqueous electrolyte battery according to claim 1 , wherein the radical material is a nitroxyl radical compound. 前記非水電解質は、エチレンカーボネート、プロピレンカーボネート、ブチレンカーボネート、γ−ブチルラクトン、ジメチルカーボネート、エチルメチルカーボネート、ジエチルカーボネート、1,2-ジメトキシエタン、メチルアセテート、テトラヒドロフラン、2-メチルテトラヒドロフラン1,3-ジオキソラン、4-メチル-1,3-ジオキソラン、ジエチルエーテル、3-メチルオキサゾリジノン、ギ酸メチルスルホラン、ジメチルスルホキシド、及びアセトニトリルからなる群から選択される1種又は2種以上の非水溶媒を含む請求項1〜3の何れか1項に記載の非水電解質電池。 The non-aqueous electrolyte is ethylene carbonate, propylene carbonate, butylene carbonate, γ-butyl lactone, dimethyl carbonate, ethyl methyl carbonate, diethyl carbonate, 1,2-dimethoxyethane, methyl acetate, tetrahydrofuran, 2-methyltetrahydrofuran 1,3- dioxolane, 4-methyl-1,3-dioxolane, diethyl ether, 3-methyl-oxazolidinone, methyl formate sulfolane, dimethyl sulfoxide, and one or claims, including two or more non-aqueous solvent is selected from the group consisting of acetonitrile The nonaqueous electrolyte battery according to any one of 1 to 3 . 前記正極は一面側が酸素含有ガスに接触する酸素透過膜をもち、前記ラジカル材料は前記酸素透過膜の他面側に配設されている請求項1〜4の何れか1項に記載の非水電解質電池。 The non-aqueous solution according to any one of claims 1 to 4 , wherein the positive electrode has an oxygen permeable film whose one side is in contact with an oxygen-containing gas, and the radical material is disposed on the other side of the oxygen permeable film. Electrolyte battery.
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