JP5786540B2 - Non-aqueous magnesium battery - Google Patents

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Description

本発明は、非水系マグネシウム電池に関する。   The present invention relates to a non-aqueous magnesium battery.

近年、携帯電話や電子メール端末などの携帯型情報機器の市場が急速に拡大しつつある。また、環境問題やエネルギー危機の観点からハイブリッド車や電気自動車への期待が高まっている。こうした背景を踏まえ、高エネルギーの蓄電デバイスが求められている。   In recent years, the market for portable information devices such as mobile phones and e-mail terminals is rapidly expanding. In addition, expectations for hybrid vehicles and electric vehicles are increasing from the viewpoint of environmental problems and the energy crisis. In light of this background, there is a need for high-energy storage devices.

例えば、マグネシウムの標準電極電位は−2.375Vと低く、金属の中では比較的軽量であり、リチウムに比べて安全性も高く且つ資源的にも豊富である(クラーク数1.93)。このため、マグネシウムは電池の負極として優れた材料といえる。マグネシウムを負極に用いる電池としては、水溶液系の電池として海水電池(特許文献1,2)、マグネシウム空気電池(非特許文献1,2)などが提案されている。また、非水系の電池として、マグネシウムイオンのインターカレーション反応を利用する二次電池(非特許文献3,特許文献3〜6)、正極反応に酸素が関わる空気電池(非特許文献3,特許文献7)、正極に硫黄を含む硫黄電池(特許文献8)などが提案されている。本発明者らは、負極にマグネシウムを用い、ハロゲンを添加したカーボネート系の非水電解質を用いて電池を作製したところ、大容量且つ高出力とすることができた(特許文献9)。   For example, the standard electrode potential of magnesium is as low as -2.375 V, is relatively light among metals, is safer than lithium, and is abundant in resources (Clark number 1.93). For this reason, it can be said that magnesium is an excellent material for a negative electrode of a battery. As batteries using magnesium as a negative electrode, seawater batteries (Patent Documents 1 and 2), magnesium-air batteries (Non-Patent Documents 1 and 2), and the like have been proposed as aqueous batteries. In addition, as non-aqueous batteries, secondary batteries that utilize an intercalation reaction of magnesium ions (Non-patent Documents 3 and 6), air batteries that involve oxygen in the positive electrode reaction (Non-patent Documents 3 and 6) 7) A sulfur battery containing sulfur in the positive electrode (Patent Document 8) has been proposed. The inventors of the present invention produced a battery using a carbonate-based non-aqueous electrolyte in which magnesium was used for the negative electrode and halogen was added, and a large capacity and high output were obtained (Patent Document 9).

特開昭61−082675号公報Japanese Patent Laid-Open No. 61-082675 特開平7−226213号公報JP 7-226213 A 特開2007−280627号公報JP 2007-280627 A 特開2007−157416号公報JP 2007-157416 A 特開2007−87938号公報JP 2007-87938 A 特許第3587791号公報Japanese Patent No. 35877791 特開2010−086924号公報JP 2010-086924 A 特開2004−265675号公報JP 2004-265675 A 特開2009−117126号公報JP 2009-117126 A

ジャーナル オブ エレクトロケミカルソサエティ エレクトロケミカル テクノロジー、116巻、1588ページ(1969年)Journal of Electrochemical Society Electrochemical Technology, 116, 1588 (1969) アンゲバンデ・ケミー・インターナルエディション、45巻、6009ページ(2006年)Angé Bande Chemie Internal Edition, 45, 6009 pages (2006) ネイチャー 407巻、724ページ(2000年)Nature 407, 724 (2000)

しかしながら、特許文献9に記載の電池では、大容量且つ高出力とすることができるが、初期の放電電圧が低いことや、放電に伴い放電電圧が低下することがあった。   However, although the battery described in Patent Document 9 can have a large capacity and a high output, the initial discharge voltage is low, and the discharge voltage may decrease with discharge.

本発明は、このような問題を解決するためになされたものであり、ハロゲンを含むイオン伝導媒体を用いたものにおいて、高い放電電圧を維持することのできる非水系マグネシウム電池を提供することを主目的とする。   The present invention has been made to solve such problems, and it is a main object of the present invention to provide a non-aqueous magnesium battery that can maintain a high discharge voltage in an ion conductive medium containing halogen. Objective.

上述した目的を達成するために、本発明者らは、イオン伝導媒体としてハロゲンの他にこのハロゲンと分子錯体を形成する非水系溶媒を含むものを用いたところ、高い放電電圧を維持することができることを見いだし、本発明を完成するに至った。   In order to achieve the above-described object, the present inventors can maintain a high discharge voltage when using an ion-conducting medium containing a non-aqueous solvent that forms a molecular complex with halogen in addition to halogen. The inventors have found what can be done and have completed the present invention.

すなわち、本発明の非水系マグネシウム電池は、正極と、マグネシウムを含む負極活物質を有する負極と、前記正極と前記負極との間に介在し、マグネシウムイオン、ハロゲン、及び、非水系溶媒を含み、マグネシウムイオンを伝導するイオン伝導媒体と、を備えた非水系マグネシウム電池であって、前記非水系溶媒は、前記ハロゲンと分子錯体を形成するものであり、硫黄と酸素との二重結合を1以上有する含硫黄有機化合物、リンと酸素との二重結合を1以上有する含リン有機化合物、炭素と窒素との三重結合を1以上有する含窒素有機化合物からなる群より選ばれた1種以上であることを特徴とするものである。   That is, the nonaqueous magnesium battery of the present invention includes a positive electrode, a negative electrode having a negative electrode active material containing magnesium, and interposed between the positive electrode and the negative electrode, and includes magnesium ions, a halogen, and a nonaqueous solvent, A nonaqueous magnesium battery comprising an ion conducting medium that conducts magnesium ions, wherein the nonaqueous solvent forms a molecular complex with the halogen, and has at least one double bond of sulfur and oxygen One or more selected from the group consisting of a sulfur-containing organic compound having phosphorus, a phosphorus-containing organic compound having at least one double bond of phosphorus and oxygen, and a nitrogen-containing organic compound having at least one triple bond of carbon and nitrogen It is characterized by this.

この非水系マグネシウム電池では、ハロゲンを含むイオン伝導媒体を用いたものにおいて、高い放電電圧を維持することができる。すなわち、初期の放電電圧を高くすると共に、放電に伴い放電電圧が低下するのを抑制することができる。このような効果が得られる理由は明らかではないが、イオン伝導媒体中のハロゲン分子と非水系溶媒とが分子錯体を形成し、この分子錯体がマグネシウム表面に形成される酸化マグネシウムを分解するためと考えられる。マグネシウム表面に形成される酸化マグネシウムは、導電性が低く、負極表面での抵抗を大きくするが、このような酸化マグネシウムを除去することで、高い放電電圧を維持することができる。ここで、分子錯体とは、2種以上の安定な分子同士が一定の割合で直接に結合してできる化合物をいい、分子化合物とも称することができる。なお、ハロゲンと分子錯体を形成するか否かは、ラマンスペクトルにおける、所定の結合の伸縮に起因するピークが、ハロゲンを添加した際に移動するか否かにより判断するものとしてもよい。   In this non-aqueous magnesium battery, a high discharge voltage can be maintained in an ion conductive medium containing halogen. That is, it is possible to increase the initial discharge voltage and to suppress the discharge voltage from being lowered due to the discharge. The reason why such an effect can be obtained is not clear, but the halogen molecule in the ion conduction medium and the non-aqueous solvent form a molecular complex, and this molecular complex decomposes magnesium oxide formed on the magnesium surface. Conceivable. Magnesium oxide formed on the magnesium surface has low conductivity and increases the resistance on the negative electrode surface, but by removing such magnesium oxide, a high discharge voltage can be maintained. Here, the molecular complex refers to a compound in which two or more kinds of stable molecules are directly bonded at a certain ratio, and can also be referred to as a molecular compound. Note that whether or not to form a molecular complex with a halogen may be determined based on whether or not a peak in a Raman spectrum due to stretching of a predetermined bond moves when a halogen is added.

本発明の非水系マグネシウム電池10の一例を模式的に示す説明図である。It is explanatory drawing which shows typically an example of the non-aqueous magnesium battery 10 of this invention. 評価セル20の構成の概略を示す説明図である。3 is an explanatory diagram showing an outline of a configuration of an evaluation cell 20. FIG. 実施例1,2及び比較例1の放電曲線である。2 is a discharge curve of Examples 1 and 2 and Comparative Example 1. 実施例3〜5及び比較例2の放電曲線である。It is a discharge curve of Examples 3-5 and Comparative Example 2. 実施例6及び比較例3の放電曲線である。It is a discharge curve of Example 6 and Comparative Example 3. 実施例7の放電曲線である。10 is a discharge curve of Example 7. 評価セル30の構成の概略を示す説明図である。2 is an explanatory diagram showing an outline of a configuration of an evaluation cell 30. FIG. 実施例8及び比較例4の放電曲線である。6 is a discharge curve of Example 8 and Comparative Example 4. 実施例8及び比較例4の放電電流密度と電圧との関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the discharge current density of Example 8 and Comparative Example 4, and a voltage. 参考例1及び参考例2の放電曲線である。3 is a discharge curve of Reference Example 1 and Reference Example 2. 参考例1及び参考例2で用いた負極の表面分析結果である。It is a surface analysis result of the negative electrode used in Reference Example 1 and Reference Example 2. ヨウ素を加えたDMSOのラマンスペクトルである。It is a Raman spectrum of DMSO to which iodine is added. ヨウ素を加えたTMPのラマンスペクトル(高波数側)である。It is a Raman spectrum (high wave number side) of TMP which added iodine. ヨウ素を加えたTMPのラマンスペクトル(低波数側)である。It is a Raman spectrum (low wave number side) of TMP which added iodine. 臭素を加えたTMPのラマンスペクトル(高波数側)である。It is a Raman spectrum (high wave number side) of TMP which added bromine. 臭素を加えたTMPのラマンスペクトル(低波数側)である。It is a Raman spectrum (low wave number side) of TMP which added bromine.

本発明の非水系マグネシウム電池は、正極と、マグネシウムを含む負極活物質を有する負極と、正極と負極との間に介在しマグネシウムイオンを伝導するイオン伝導媒体とを備えたものである。この非水系マグネシウム電池は、例えば、ハロゲンを正極活物質として用いるマグネシウム−ハロゲン電池としてもよいし、空気を正極活物質として用いるマグネシウム−空気電池ともよいし、マグネシウムのインターカレーション反応を利用するマグネシウムイオン電池としてもよい。   The non-aqueous magnesium battery of the present invention includes a positive electrode, a negative electrode having a negative electrode active material containing magnesium, and an ion conductive medium that is interposed between the positive electrode and the negative electrode and conducts magnesium ions. This non-aqueous magnesium battery may be, for example, a magnesium-halogen battery using halogen as a positive electrode active material, a magnesium-air battery using air as a positive electrode active material, or magnesium utilizing a magnesium intercalation reaction. An ion battery may be used.

本発明の非水系マグネシウム電池において、正極は特に限定されない。例えば、マグネシウム−ハロゲン電池の場合には、正極は、ハロゲンを正極活物質とすることができる。この正極活物質は、イオン伝導媒体に溶解したハロゲンにより供給されるものとしてもよい。この正極は、ハロゲンの酸化還元触媒を含んでいてもよい。ハロゲン酸化還元触媒により、正極活物質であるハロゲンの還元反応が促進され、正極活物質としての機能が向上すると考えられるためである。ハロゲンの酸化還元触媒としては、例えばニッケルや二酸化マンガンなどが挙げられる。また、マグネシウム−空気電池の場合には、正極は、気体からの酸素を正極活物質とすることができる。気体としては、空気であってもよいし酸素ガスであってもよい。正極は、酸素の酸化還元触媒を含んでいることが好ましい。正極での反応をより効率よく行うことができるからである。酸素の酸化還元触媒としては、二酸化マンガン、四酸化三コバルトなどの金属酸化物であってもよいし、Pt、Pd、Coなどの金属であってもよいし、金属ポルフィリン、金属フタロシアニン、イオン化フラーレン、カーボンナノチューブなどの有機及び無機化合物であってもよい。このうち、電解二酸化マンガンであれば、容易に入手することができる点で好ましい。また、例えば、マグネシウムイオン電池の場合には、正極は、マグネシウムを吸蔵放出する正極活物質を有するものとすることができる。このような正極活物質としては、例えば、五酸化バナジウム(V25)などが挙げられる。 In the nonaqueous magnesium battery of the present invention, the positive electrode is not particularly limited. For example, in the case of a magnesium-halogen battery, the positive electrode can use halogen as the positive electrode active material. This positive electrode active material may be supplied by halogen dissolved in an ion conductive medium. The positive electrode may contain a halogen redox catalyst. This is because it is considered that the halogen redox catalyst promotes the reduction reaction of the halogen that is the positive electrode active material, and the function as the positive electrode active material is improved. Examples of the halogen redox catalyst include nickel and manganese dioxide. In the case of a magnesium-air battery, the positive electrode can use oxygen from a gas as the positive electrode active material. The gas may be air or oxygen gas. The positive electrode preferably contains an oxygen redox catalyst. This is because the reaction at the positive electrode can be performed more efficiently. The oxygen redox catalyst may be a metal oxide such as manganese dioxide or tricobalt tetroxide, or may be a metal such as Pt, Pd or Co, metal porphyrin, metal phthalocyanine, or ionized fullerene. Organic and inorganic compounds such as carbon nanotubes may be used. Among these, electrolytic manganese dioxide is preferable in that it can be easily obtained. For example, in the case of a magnesium ion battery, the positive electrode may have a positive electrode active material that occludes and releases magnesium. Examples of such a positive electrode active material include vanadium pentoxide (V 2 O 5 ).

正極は、上述した酸化還元触媒や正極活物質と、導電材と結着材とを混合し、適当な溶剤を加えてペースト状の正極材としたものを、集電体の表面に塗布乾燥し、必要に応じて電極密度を高めるべく圧縮して形成してもよい。導電材は、電池の性能に悪影響を及ぼさない電子伝導性材料であれば特に限定されず、例えば、天然黒鉛(鱗状黒鉛、鱗片状黒鉛)や人造黒鉛などの黒鉛、アセチレンブラック、カーボンブラック、ケッチェンブラック、カーボンウィスカ、ニードルコークス、炭素繊維、活性炭、金属(銅、ニッケル、アルミニウム、銀、金など)などの1種又は2種以上を混合したものを用いることができる。これらの中で、導電材としては、電子伝導性及び塗工性の観点より、カーボンブラック及びアセチレンブラックが好ましい。結着材は、酸化還元触媒粒子や正極活物質粒子と導電材粒子とを繋ぎ止める役割を果たすものであり、例えば、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)、フッ素ゴム等の含フッ素樹脂、或いはポリプロピレン、ポリエチレン等の熱可塑性樹脂、エチレン−プロピレン−ジエンマー(EPDM)、スルホン化EPDM、天然ブチルゴム(NBR)等を単独で、あるいは2種以上の混合物として用いることができる。また、水系バインダーであるセルロース系やスチレンブタジエンゴム(SBR)の水分散体等を用いることもできる。酸化還元触媒や正極活物質、導電材、結着材を分散させる溶剤としては、例えばN−メチルピロリドン、ジメチルホルムアミド、ジメチルアセトアミド、メチルエチルケトン、シクロヘキサノン、酢酸メチル、アクリル酸メチル、ジエチルトリアミン、N,N−ジメチルアミノプロピルアミン、エチレンオキシド、テトラヒドロフランなどの有機溶剤を用いることができる。また、水に分散剤、増粘剤等を加え、SBRなどのラテックスで活物質をスラリー化してもよい。増粘剤としては、例えば、カルボキシメチルセルロース、メチルセルロースなどの多糖類を単独で、あるいは2種以上の混合物として用いることができる。塗布方法としては、例えば、アプリケータロールなどのローラコーティング、スクリーンコーティング、ドクターブレイド方式、スピンコーティング、バーコータなどが挙げられ、これらのいずれかを用いて任意の厚さ・形状とすることができる。集電体には、銅、ニッケル、ステンレス鋼、チタン、焼成炭素、導電性高分子、導電性ガラスなどのほか、接着性、導電性及び耐還元性向上の目的で、例えば銅などの表面をカーボン、ニッケル、チタンや銀などで処理したものも用いることができる。これらについては、表面を酸化処理することも可能である。集電体の形状については、箔状、フィルム状、シート上、ネット上、パンチ又はエキスパンドされたもの、ラス体、多孔質体、発泡体、繊維群の形成体などが挙げられる。集電体の厚さは、例えば1〜500μmのものが用いられる。   The positive electrode is prepared by mixing the above-described oxidation-reduction catalyst or positive electrode active material, a conductive material and a binder, and adding a suitable solvent to form a paste-like positive electrode material on the surface of the current collector, followed by drying. If necessary, it may be compressed to increase the electrode density. The conductive material is not particularly limited as long as it is an electron conductive material that does not adversely affect the performance of the battery. For example, graphite such as natural graphite (scale-like graphite, scale-like graphite) or artificial graphite, acetylene black, carbon black, kettle, etc. A mixture of one or more of chain black, carbon whisker, needle coke, carbon fiber, activated carbon, metal (copper, nickel, aluminum, silver, gold, etc.) can be used. Among these, as the conductive material, carbon black and acetylene black are preferable from the viewpoints of electron conductivity and coatability. The binder serves to connect the redox catalyst particles or the positive electrode active material particles and the conductive material particles. For example, polytetrafluoroethylene (PTFE), polyvinylidene fluoride (PVDF), fluororubber, etc. Fluorine-containing resins, thermoplastic resins such as polypropylene and polyethylene, ethylene-propylene-dienemer (EPDM), sulfonated EPDM, natural butyl rubber (NBR) and the like can be used alone or as a mixture of two or more. In addition, an aqueous dispersion of cellulose or styrene butadiene rubber (SBR), which is an aqueous binder, can also be used. Examples of the solvent for dispersing the oxidation-reduction catalyst, the positive electrode active material, the conductive material, and the binder include N-methylpyrrolidone, dimethylformamide, dimethylacetamide, methyl ethyl ketone, cyclohexanone, methyl acetate, methyl acrylate, diethyltriamine, N, N -An organic solvent such as dimethylaminopropylamine, ethylene oxide, and tetrahydrofuran can be used. Moreover, a dispersing agent, a thickener, etc. may be added to water, and an active material may be slurried with latex, such as SBR. As the thickener, for example, polysaccharides such as carboxymethyl cellulose and methyl cellulose can be used alone or as a mixture of two or more. Examples of the application method include roller coating such as applicator roll, screen coating, doctor blade method, spin coating, bar coater, and the like, and any of these can be used to obtain an arbitrary thickness and shape. In addition to copper, nickel, stainless steel, titanium, calcined carbon, conductive polymer, conductive glass, etc., the current collector has a surface such as copper for the purpose of improving adhesiveness, conductivity and reduction resistance. Those treated with carbon, nickel, titanium or silver can also be used. For these, the surface can be oxidized. Examples of the shape of the current collector include a foil shape, a film shape, a sheet, a net, a punched or expanded shape, a lath body, a porous body, a foamed body, and a formed body of a fiber group. The thickness of the current collector is, for example, 1 to 500 μm.

本発明の非水系マグネシウム電池において、負極は、マグネシウムを含むものである。このような負極としては、例えば金属マグネシウムやマグネシウム合金などが挙げられる。マグネシウム合金としては、例えば、アルミニウムやシリコン、ガリウム、亜鉛、マンガンなどとマグネシウムとの合金が挙げられる。   In the non-aqueous magnesium battery of the present invention, the negative electrode contains magnesium. Examples of such a negative electrode include magnesium metal and magnesium alloys. Examples of magnesium alloys include alloys of magnesium with aluminum, silicon, gallium, zinc, manganese, and the like.

本発明の非水系マグネシウム電池において、イオン伝導媒体は、マグネシウムイオンと、ハロゲンと、非水系溶媒と、を含み、マグネシウムイオンを伝導するものである。このイオン伝導媒体は、非水系溶媒に、ハロゲンと、支持塩と、を溶解した非水系電解液としてもよい。ハロゲンは、ヨウ素(I2)、臭素(Br2)、塩素(Cl2)などの単体でもよいし、ヨウ素、臭素及び塩素から選ばれた2種以上の元素の化合物でもよい。このうち、ヨウ素(I2)、臭素(Br2)、ヨウ化モノブロミド(IBr)、ヨウ化モノクロリド(ICl)、ヨウ化トリクロリド(ICl3)などが、取り扱いが容易であり好ましい。このうち、ヨウ化トリクロリド、ヨウ化モノクロリド及び臭素が、高い電圧を維持できるため好ましく、なかでも、ヨウ化トリクロリドが好ましい。 In the non-aqueous magnesium battery of the present invention, the ion conductive medium contains magnesium ions, a halogen, and a non-aqueous solvent, and conducts magnesium ions. This ion conductive medium may be a non-aqueous electrolyte solution in which halogen and a supporting salt are dissolved in a non-aqueous solvent. The halogen may be a simple substance such as iodine (I 2 ), bromine (Br 2 ), chlorine (Cl 2 ), or a compound of two or more elements selected from iodine, bromine and chlorine. Of these, iodine (I 2 ), bromine (Br 2 ), iodinated monobromide (IBr), iodinated monochloride (ICl), iodinated trichloride (ICl 3 ) and the like are preferred because they are easy to handle. Among these, iodinated trichloride, iodinated monochloride and bromine are preferable because they can maintain a high voltage, and among these, iodinated trichloride is preferable.

イオン伝導媒体における非水系溶媒は、ハロゲンと分子錯体を形成するものである。ここで、分子錯体とは、2種以上の安定な分子同士が一定の割合で直接に結合してできる化合物をいい、分子化合物とも称することができる。なお、ハロゲンと分子錯体を形成するか否かは、ラマンスペクトルにおける、酸素とその他の原子との結合など所定の結合の伸縮に起因するピークが、ハロゲンを添加した際に移動するか否かにより判断するものとしてもよい。例えば、ハロゲンがヨウ素である場合には、低波数側に移動するか否かにより判断するものとしてもよい。また、ハロゲンが臭素である場合には、高波数側に移動するか否かにより判断するものとしてもよい。   The non-aqueous solvent in the ion conductive medium forms a molecular complex with halogen. Here, the molecular complex refers to a compound in which two or more kinds of stable molecules are directly bonded at a certain ratio, and can also be referred to as a molecular compound. Whether or not to form a molecular complex with halogen depends on whether or not a peak in a Raman spectrum due to expansion and contraction of a predetermined bond such as a bond between oxygen and another atom moves when a halogen is added. It may be determined. For example, when the halogen is iodine, the determination may be made based on whether or not the halogen moves to the low wave number side. Further, when the halogen is bromine, the determination may be made based on whether or not the halogen moves to the high wave number side.

この非水系溶媒は、硫黄と酸素との二重結合を1以上有する含硫黄有機化合物、リンと酸素との二重結合を1以上有する含リン有機化合物、及び、窒素と炭素との三重結合を1以上有する含窒素有機化合物からなる群より選ばれた1種以上を含むものである。このうち、含窒素有機化合物を含むものであれば、高い放電電圧を維持できるため好ましい。なお、酸素との二重結合を2個以上有する含硫黄有機化合物は、1つの硫黄に対して2つの酸素が結合することにより2個の2重結合を有するものとしてもよい。また、酸素との二重結合を2個以上有する含リン有機化合物は、1つのリンに対して2つの酸素が結合することにより2個の2重結合を有するものとしてもよい。なお、非水系溶媒は、非プロトン性溶媒であることが好ましい。   This non-aqueous solvent includes a sulfur-containing organic compound having one or more double bonds of sulfur and oxygen, a phosphorus-containing organic compound having one or more double bonds of phosphorus and oxygen, and a triple bond of nitrogen and carbon. It includes one or more selected from the group consisting of one or more nitrogen-containing organic compounds. Among these, the one containing a nitrogen-containing organic compound is preferable because a high discharge voltage can be maintained. Note that the sulfur-containing organic compound having two or more double bonds with oxygen may have two double bonds by bonding two oxygens to one sulfur. The phosphorus-containing organic compound having two or more double bonds with oxygen may have two double bonds by bonding two oxygens to one phosphorus. The non-aqueous solvent is preferably an aprotic solvent.

含硫黄有機化合物は、酸素と二重結合した硫黄が、直接又は酸素を介して炭化水素基と結合しているものとしてもよい。ここで、炭化水素基としては、鎖状(直鎖でもよいし分岐鎖を有していてもよい)の炭化水素基や環状の炭化水素基が好ましく、炭素数は1〜20が好ましい。鎖状の炭化水素基としては、メチル基、エチル基、プロピル基、ブチル基、ペンチル基、ヘキシル基、ヘプチル基、オクチル基、ノニル基、デカニル基、ウンデカニル基、ドデカニル基などの飽和炭化水素基;ビニル基、プロペニル基、ブテニル基、ペンテニル基、ヘプテニル基、オクテニル基、ノネニル基、デセニル基、ウンデセニル基、ドデセニル基などの不飽和炭化水素基などが挙げられる。また、環状の炭化水素基としては、シクロプロピル基、シクロペンチル基、シクロヘキシル基、シクロヘプチル基などの環状飽和炭化水素基;フェニル基、ナフチル基などの芳香族炭化水素基などが挙げられる。また、これらの炭化水素基は置換基を有していてもよい。また、硫黄と結合する2つの炭化水素基は同種でもよいし異種でもよい。また、炭化水素基は、酸素と二重結合した硫黄を含む環状構造を形成していてもよい。なお、炭化水素基は、各々、炭素数10以下が好ましく、6以下がより好ましい。含硫黄有機化合物は、環状構造を有するものでもよい。環状構造は、酸素と二重結合した硫黄と結合するフェニル基などの環状の炭化水素基で構成されるものでもよいし、酸素と二重結合した硫黄を環状構造に含むものでもよい。   The sulfur-containing organic compound may be one in which sulfur double-bonded to oxygen is bonded to a hydrocarbon group directly or via oxygen. Here, the hydrocarbon group is preferably a chain-like (which may be linear or branched) or a cyclic hydrocarbon group, and preferably has 1 to 20 carbon atoms. Examples of chain hydrocarbon groups include methyl, ethyl, propyl, butyl, pentyl, hexyl, heptyl, octyl, nonyl, decanyl, undecanyl, and dodecanyl groups. An unsaturated hydrocarbon group such as a vinyl group, a propenyl group, a butenyl group, a pentenyl group, a heptenyl group, an octenyl group, a nonenyl group, a decenyl group, an undecenyl group, and a dodecenyl group; Examples of the cyclic hydrocarbon group include cyclic saturated hydrocarbon groups such as cyclopropyl group, cyclopentyl group, cyclohexyl group, and cycloheptyl group; aromatic hydrocarbon groups such as phenyl group and naphthyl group. Moreover, these hydrocarbon groups may have a substituent. Further, the two hydrocarbon groups bonded to sulfur may be the same or different. The hydrocarbon group may form a cyclic structure containing sulfur that is double-bonded to oxygen. Each hydrocarbon group preferably has 10 or less carbon atoms, more preferably 6 or less. The sulfur-containing organic compound may have a cyclic structure. The cyclic structure may be composed of a cyclic hydrocarbon group such as a phenyl group bonded to sulfur that is double-bonded to oxygen, or may include sulfur that is double-bonded to oxygen in the cyclic structure.

含硫黄有機化合物としては、1つの硫黄に1つの酸素が二重結合したスルホキシド化合物や、1つの硫黄に2つの酸素が二重結合したスルホン化合物などが挙げられる。スルホキシド化合物としては、鎖状の炭化水素基が硫黄に直接結合した化合物であるジメチルスルホキシド(式(1))やジエチルスルホキシド、環状の炭化水素基が硫黄に直接結合した化合物であるジフェニルスルホキシド(式(2))、鎖状の炭化水素基が硫黄に酸素を介して結合した化合物であるジエチルサルファイト(式(3))、硫黄を環状構造に含む化合物であるテトラメチレンスルホキシド(式(4))などが挙げられる。また、スルホン化合物としては、鎖状の炭化水素基が硫黄に直接結合した化合物であるジメチルスルホンやジエチルスルホン(式(5))、硫黄を環状構造に含む化合物であるスルホラン(式(6))や3−メチルスルホラン(式(7))、ジメチルスルホランなどが挙げられる。   Examples of the sulfur-containing organic compound include a sulfoxide compound in which one oxygen is double-bonded to one sulfur, and a sulfone compound in which two oxygens are double-bonded to one sulfur. Examples of the sulfoxide compound include dimethyl sulfoxide (formula (1)), which is a compound in which a chain hydrocarbon group is directly bonded to sulfur, and diphenyl sulfoxide (formula, which is a compound in which a cyclic hydrocarbon group is directly bonded to sulfur). (2)), diethyl sulfite (formula (3)) which is a compound in which a chain hydrocarbon group is bonded to sulfur via oxygen, tetramethylene sulfoxide (formula (4)) which is a compound containing sulfur in a cyclic structure ) And the like. Examples of the sulfone compound include dimethyl sulfone and diethyl sulfone (formula (5)), which are compounds in which a chain hydrocarbon group is directly bonded to sulfur, and sulfolane (formula (6)), which is a compound containing sulfur in a cyclic structure. And 3-methylsulfolane (formula (7)), dimethyl sulfolane and the like.

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含リン有機化合物は、酸素と二重結合したリンが、直接又は酸素を介して炭化水素基と結合しているものとしてもよい。ここで、炭化水素基としては、含硫黄有機化合物の説明で列挙した炭化水素基などを用いることができる。酸素と二重結合したリンと結合する3つの炭化水素基は同種でもよいし異種でもよい。また、炭化水素基は、酸素と二重結合したリンを含む環状構造を形成していてもよい。なお、炭化水素基は、各々、炭素数4以下が好ましく、2以下がより好ましい。   The phosphorus-containing organic compound may be such that phosphorus double-bonded to oxygen is bonded to a hydrocarbon group directly or via oxygen. Here, as the hydrocarbon group, the hydrocarbon groups listed in the description of the sulfur-containing organic compound can be used. The three hydrocarbon groups bonded to phosphorus double-bonded to oxygen may be the same or different. Further, the hydrocarbon group may form a cyclic structure containing phosphorus double-bonded to oxygen. Each hydrocarbon group preferably has 4 or less carbon atoms, and more preferably 2 or less.

含リン有機化合物としては、1つのリンに1つの酸素が二重結合したホスフィンオキシド化合物や、1つのリンに2つの酸素が二重結合した化合物などが挙げられる。なお、上述したホスフィンオキシド化合物は、炭化水素とリンとの結合に酸素を介するものを含まないホスフィンオキシド化合物のほか、酸素を介するものを1つ含むホスフィン酸化合物や、酸素を介するものを2つ含むホスホン酸化合物、全ての炭化水素基が酸素を介して結合するリン酸化合物をも含むものである。ホスフィンオキシド化合物としては、リン酸トリエステル、より具体的には、鎖状の炭化水素基が酸素を介してリンに結合した化合物であるリン酸トリメチル(式(8))やリン酸トリブチル(式(9))、リン酸トリエチル(式(10))、環状の炭化水素基が酸素を介してリンに結合した化合物であるリン酸トリフェニルなどが挙げられる。また、ホスフィンオキシド化合物としては、この他に、鎖状の炭化水素基が直接リンに結合した化合物であるトリエチルホスフィンオキシド(式(11))、環状の炭化水素基が直接リンに結合した化合物であるトリフェニルホスフィンオキシドなどが挙げられる。   Examples of the phosphorus-containing organic compound include a phosphine oxide compound in which one oxygen is double-bonded to one phosphorus and a compound in which two oxygens are double-bonded to one phosphorus. In addition to the phosphine oxide compounds that do not include oxygen-mediated compounds in the bond between hydrocarbon and phosphorus, the phosphine oxide compounds described above include two phosphinic acid compounds that contain one oxygen-mediated compound, and two compounds that communicate oxygen. Also included are phosphonic acid compounds and phosphoric acid compounds in which all hydrocarbon groups are bonded via oxygen. As the phosphine oxide compound, phosphoric acid triester, more specifically, trimethyl phosphate (formula (8)) or tributyl phosphate (formula) in which a chain hydrocarbon group is bonded to phosphorus via oxygen. (9)), triethyl phosphate (formula (10)), and triphenyl phosphate which is a compound in which a cyclic hydrocarbon group is bonded to phosphorus via oxygen. Other examples of the phosphine oxide compound include triethylphosphine oxide (formula (11)), which is a compound in which a chain hydrocarbon group is directly bonded to phosphorus, and a compound in which a cyclic hydrocarbon group is directly bonded to phosphorus. Some triphenylphosphine oxides can be mentioned.

Figure 0005786540
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含窒素有機化合物は、窒素と三重結合した炭素が、炭化水素基と結合しているものとしてもよい。ここで、炭化水素基としては、含硫黄有機化合物の説明で列挙した炭化水素基などを用いることができる。含窒素有機化合物としては、アルキルニトリル、より具体的には、アセトニトリル(式(12))やプロピオニトリル、ブチロ二トリル、グルタロニトリル(式(13))などが挙げられる。   The nitrogen-containing organic compound may be one in which carbon triple-bonded to nitrogen is bonded to a hydrocarbon group. Here, as the hydrocarbon group, the hydrocarbon groups listed in the description of the sulfur-containing organic compound can be used. Examples of the nitrogen-containing organic compound include alkyl nitriles, and more specifically acetonitrile (formula (12)), propionitrile, butyronitrile, glutaronitrile (formula (13)), and the like.

Figure 0005786540
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イオン伝導媒体は、ハロゲンと分子錯体を形成する非水系溶媒の他に、例えば、エチレンカーボネート(EC)、プロピレンカーボネート(PC)、γ−ブチロラクトン(γ−BL)、ジエチルカーボネート(DEC)、ジメチルカーボネート(DMC)、ジオキサン、ヘキサエトキシシクロトリフォスファゼンなど従来の二次電池やキャパシタに使われる有機溶媒、又はそれらの混合溶媒を含むものとしてもよい。また、例えば、ポリフッ化ビニリデンやポリエチレングリコール、ポリアクリロニトリルなどの高分子のほか、アミノ酸誘導体や、ソルビトール誘導体などの糖類などと混合してゲル状として用いてもよい。   In addition to the non-aqueous solvent that forms a molecular complex with halogen, the ion-conducting medium is, for example, ethylene carbonate (EC), propylene carbonate (PC), γ-butyrolactone (γ-BL), diethyl carbonate (DEC), dimethyl carbonate. (DMC), dioxane, hexaethoxycyclotriphosphazene, and other organic solvents used in conventional secondary batteries and capacitors, or mixed solvents thereof may be included. For example, in addition to polymers such as polyvinylidene fluoride, polyethylene glycol, and polyacrylonitrile, saccharides such as amino acid derivatives and sorbitol derivatives may be mixed and used as a gel.

イオン伝導媒体において、ハロゲンと分子錯体を形成する非水系溶媒に対するハロゲンの濃度は特に限定されないが、0.01mol/L以上が好ましい。このうち、0.02mol/L以上が好ましく、0.03mol/L以上がより好ましく、0.05mol/L以上がさらに好ましい。ハロゲンの濃度が0.01mol/L以上では、正極活物質としての機能を十分に発揮することができ、十分な充放電容量を得られると考えられるからである。また、イオン伝導媒体に含まれるハロゲンの濃度は、飽和濃度(最大で溶媒とハロゲンがモル比で1:1まで)以下であることが好ましく、1.0mol/L以下がより好ましい。飽和濃度以下であれば、ハロゲンがイオン伝導媒体に溶存しているため、マグネシウムイオンの伝導を阻害しにくいと考えられるからである。   In the ion conductive medium, the concentration of the halogen with respect to the non-aqueous solvent that forms a molecular complex with the halogen is not particularly limited, but is preferably 0.01 mol / L or more. Among these, 0.02 mol / L or more is preferable, 0.03 mol / L or more is more preferable, and 0.05 mol / L or more is more preferable. This is because it is considered that when the halogen concentration is 0.01 mol / L or more, the function as the positive electrode active material can be sufficiently exerted and a sufficient charge / discharge capacity can be obtained. In addition, the concentration of halogen contained in the ion conductive medium is preferably equal to or less than a saturation concentration (a maximum of a solvent and a halogen is up to 1: 1 in molar ratio), and more preferably 1.0 mol / L or less. This is because if the concentration is lower than the saturation concentration, it is considered that the halogen is dissolved in the ion conductive medium, so that it is difficult to inhibit the magnesium ion conduction.

イオン伝導媒体において、支持塩は、特に限定されるものではないが、例えば、マグネシウムパークロレート(Mg(ClO42)、マグネシウムビス(トリフルオロメチルスルホニル)イミド(Mg[N(CF3SO322)、マグネシウムトリフルオロメタンスルホネート(Mg(CF3SO32)、マグネシウムノナフルオロブタンスルホネート(Mg(C49SO32)などの公知の支持塩を用いることができる。このような支持塩を含むイオン伝導媒体は、マグネシウムイオンを含むこととなる。支持塩の濃度としては、0.1mol/L以上2.0mol/L以下であることが好ましく、0.8mol/L以上1.2mol/L以下であることがより好ましい。 In the ion conductive medium, the supporting salt is not particularly limited. For example, magnesium perchlorate (Mg (ClO 4 ) 2 ), magnesium bis (trifluoromethylsulfonyl) imide (Mg [N (CF 3 SO 3 2 ) 2 ), magnesium trifluoromethanesulfonate (Mg (CF 3 SO 3 ) 2 ), magnesium nonafluorobutane sulfonate (Mg (C 4 F 9 SO 3 ) 2 ) and the like can be used. An ion conducting medium containing such a supporting salt will contain magnesium ions. The concentration of the supporting salt is preferably 0.1 mol / L or more and 2.0 mol / L or less, and more preferably 0.8 mol / L or more and 1.2 mol / L or less.

本発明の非水系マグネシウム電池は、正極と負極との間にセパレータを備えていてもよい。セパレータとしては、非水系マグネシウム電池の使用範囲に耐えうる組成であれば特に限定されないが、例えば、ポリプロピレン製不織布やポリフェニレンスルフィド製不織布などの高分子不織布、ポリエチレンやポリプロピレンなどのオレフィン系樹脂の微多孔フィルムが挙げられる。これらは単独で用いてもよいし、複合して用いてもよい。   The nonaqueous magnesium battery of the present invention may include a separator between the positive electrode and the negative electrode. The separator is not particularly limited as long as it has a composition that can withstand the range of use of the non-aqueous magnesium battery. For example, the polymer nonwoven fabric such as a polypropylene nonwoven fabric or a polyphenylene sulfide nonwoven fabric, or a microporous olefin resin such as polyethylene or polypropylene is used. A film is mentioned. These may be used alone or in combination.

本発明の非水系マグネシウム電池の形状は、特に限定されないが、例えばコイン型、ボタン型、シート型、積層型、円筒型、偏平型、角型などが挙げられる。また、電気自動車等に用いる大型のものなどに適用してもよい。図1は、本発明の非水系マグネシウム電池の一例を模式的に示す説明図である。この非水系マグネシウム電池10は、マグネシウム金属からなる負極14と正極16とをイオン伝導媒体18を介して対向して配置したものである。このうち、正極16は、導電材16bやバインダ16cを混合したあと白金メッシュなどの集電体16aにプレス成形して作製されている。また、イオン伝導媒体18は、マグネシウムパークロレート等のマグネシウム塩、ハロゲン、非水系溶媒を含むものである。このイオン伝導媒体18において、非水系溶媒は、ハロゲンと分子錯体を形成する化合物である。   The shape of the non-aqueous magnesium battery of the present invention is not particularly limited, and examples thereof include a coin type, a button type, a sheet type, a laminated type, a cylindrical type, a flat type, and a square type. Moreover, you may apply to the large sized thing etc. which are used for an electric vehicle etc. FIG. 1 is an explanatory view schematically showing an example of the non-aqueous magnesium battery of the present invention. In this non-aqueous magnesium battery 10, a negative electrode 14 made of magnesium metal and a positive electrode 16 are arranged to face each other with an ion conductive medium 18 therebetween. Among these, the positive electrode 16 is produced by mixing a conductive material 16b and a binder 16c and then press-molding the current collector 16a such as a platinum mesh. The ion conductive medium 18 contains a magnesium salt such as magnesium perchlorate, a halogen, and a non-aqueous solvent. In the ion conductive medium 18, the non-aqueous solvent is a compound that forms a molecular complex with halogen.

なお、例えば、ジメチルスルホキシドと溶存ハロゲンとの分子錯体は、溶媒分子骨格内のS=O部位にハロゲンが配位する形で形成される。すなわち、S=O部位のπ結合とハロゲンのσ結合との電気的な相互作用により錯体が形成されると考えられている(ジャーナル オブ アメリカンケミカルソサエティ 85巻、3125頁、1963年 参照)。このことから、本発明において、イオン伝導媒体に含まれる溶媒は、含硫黄有機化合物においてはS=O部位のπ結合とハロゲン分子のσ結合との電気的な相互作用により、溶媒分子にハロゲンが配位して分子錯体を形成していると考えられる。また、含リン有機化合物においてはP=O部位のπ結合とハロゲン分子のσ結合との電気的な相互作用により、溶媒分子にハロゲンが配位して分子錯体を形成していると考えられる。   For example, a molecular complex of dimethyl sulfoxide and dissolved halogen is formed in a form in which halogen is coordinated to the S═O site in the solvent molecular skeleton. That is, it is considered that a complex is formed by an electrical interaction between the π bond at the S═O site and the σ bond of halogen (see Journal of American Chemical Society, Vol. 85, p. 3125, 1963). Therefore, in the present invention, the solvent contained in the ionic conduction medium is such that in the sulfur-containing organic compound, halogen is present in the solvent molecule due to an electrical interaction between the π bond at the S═O site and the σ bond of the halogen molecule. It is thought that it forms a molecular complex by coordination. Further, in the phosphorus-containing organic compound, it is considered that halogen is coordinated to the solvent molecule to form a molecular complex due to electrical interaction between the π bond at the P═O site and the σ bond of the halogen molecule.

なお、本発明は上述した実施形態に何ら限定されることはなく、本発明の技術的範囲に属する限り種々の態様で実施し得ることはいうまでもない。   It should be noted that the present invention is not limited to the above-described embodiment, and it goes without saying that the present invention can be implemented in various modes as long as it belongs to the technical scope of the present invention.

以下には、本発明の非水系マグネシウム電池について具体的に説明する。ここでは、(1)正極活物質としてハロゲンを用いるマグネシウム−ハロゲン電池、(2)正極活物質として空気を用いるマグネシウム−空気電池、(3)正極へのマグネシウムのインターカレーションを利用するマグネシウムイオン電池について具体的に説明する。   Hereinafter, the non-aqueous magnesium battery of the present invention will be specifically described. Here, (1) a magnesium-halogen battery using halogen as the positive electrode active material, (2) a magnesium-air battery using air as the positive electrode active material, and (3) a magnesium ion battery using intercalation of magnesium to the positive electrode Will be described in detail.

(1)マグネシウム−ハロゲン電池
(1−A)ハロゲン:I2
[実施例1]
(評価セルの作製)
正極は次のようにして作製した。まず、導電材としてのケッチェンブラック(三菱化学製ECP−6000)146mgと、結着材としてのテフロンバインダー(ダイキン工業製、テフロンは登録商標)20mgとを乾式で乳鉢を用いて練り合わせてシート状の正極合材を得た。この正極合材4mgをPtメッシュ(ニラコ製)に圧着して0.2cm2の正極とした。また、負極には厚さ0.2mmで10mm×10mmのマグネシウム・アルミニウム・亜鉛合金(大阪富士工業製AZ31(Al:3質量%,Zn:1質量%))を用いた。イオン伝導媒体としての電解液は、次のようにして調製した。まず、支持塩としてのマグネシウムパークロレート(アルドリッチ製)0.5mol/Lを、電解液溶媒(非水系溶媒)としてのリン酸トリメチル(アルドリッチ製)に溶解させて溶液を調製した。この溶液12mLにヨウ素(アルドリッチ製)200mg(0.066mol/L)を溶解させて電解液とした。このようにして得られた正極、負極、電解液を用いて、アルゴン雰囲気下のグローブボックス内で、次のように評価セルを作製した。まず、図2に示すように、正極22及び負極24を評価セル(ビーカーセル)20にセットし、電解液26を注入した。次に、評価セル20の開放部にプラスチック製の蓋28を取り付け、評価セル20を密閉した。なお、ビーカーセル内の空間にはアルゴンが充填されている。また、評価セル20の容量は約30mlである。このようにして得られた評価セルを実施例1とした。
(1) Magnesium-halogen battery (1-A) Halogen: I 2
[Example 1]
(Production of evaluation cell)
The positive electrode was produced as follows. First, 146 mg of ketjen black (ECP-6000 manufactured by Mitsubishi Chemical Corporation) as a conductive material and 20 mg of Teflon binder (manufactured by Daikin Industries, Teflon is a registered trademark) as a binder are kneaded dry using a mortar in a sheet form. A positive electrode composite was obtained. 4 mg of this positive electrode mixture was press-bonded to a Pt mesh (manufactured by Niraco) to obtain a 0.2 cm 2 positive electrode. Further, a magnesium / aluminum / zinc alloy (AZ31 (Al: 3 mass%, Zn: 1 mass%) manufactured by Osaka Fuji Kogyo) having a thickness of 0.2 mm and a thickness of 10 mm × 10 mm was used for the negative electrode. An electrolytic solution as an ion conducting medium was prepared as follows. First, a solution was prepared by dissolving 0.5 mol / L of magnesium perchlorate (manufactured by Aldrich) as a supporting salt in trimethyl phosphate (manufactured by Aldrich) as an electrolyte solvent (non-aqueous solvent). 200 mg (0.066 mol / L) of iodine (manufactured by Aldrich) was dissolved in 12 mL of this solution to obtain an electrolytic solution. Using the positive electrode, negative electrode, and electrolytic solution thus obtained, an evaluation cell was produced as follows in a glove box under an argon atmosphere. First, as shown in FIG. 2, the positive electrode 22 and the negative electrode 24 were set in the evaluation cell (beaker cell) 20, and the electrolyte solution 26 was injected. Next, a plastic lid 28 was attached to the open portion of the evaluation cell 20, and the evaluation cell 20 was sealed. The space in the beaker cell is filled with argon. The capacity of the evaluation cell 20 is about 30 ml. The evaluation cell thus obtained was named Example 1.

(充放電試験)
組み立てた評価セルを北斗電工製の充放電装置(HJ1001SM8A)に接続し、正極と負極との間で0.010mA(正極材料面積あたり0.05mA/cm2)の電流を流して放電させた。
(Charge / discharge test)
The assembled evaluation cell was connected to a charge / discharge device (HJ1001SM8A) manufactured by Hokuto Denko, and discharged at a current of 0.010 mA (0.05 mA / cm 2 per positive electrode material area) between the positive electrode and the negative electrode.

[実施例2]
電解液溶媒として重水素化ジメチルスルホキシド(和光純薬製、NMR用)を用い、負極にニラコ製のMg棒を用いた以外は実施例1と同様の工程を経て実施例2の評価セルを作製し、充放電試験を行った。なお、ここでは便宜上重水素化ジメチルスルホキシドを用いたが、重水素化していないジメチルスルホキシドを用いてもよい。
[Example 2]
The evaluation cell of Example 2 was prepared through the same steps as Example 1 except that deuterated dimethyl sulfoxide (manufactured by Wako Pure Chemicals, for NMR) was used as the electrolyte solvent, and a Nilaco Mg rod was used for the negative electrode. Then, a charge / discharge test was conducted. Although deuterated dimethyl sulfoxide is used here for convenience, dimethyl sulfoxide that is not deuterated may be used.

[比較例1]
電解液溶媒としてプロピレンカーボネートとジエチルカーボネートとの混合溶媒(体積比1:1,キシダ化学製)を用いた以外は実施例1と同様の工程を経て比較例1の評価セルを作製し、充放電試験を行った。
[Comparative Example 1]
The evaluation cell of Comparative Example 1 was prepared through the same steps as Example 1 except that a mixed solvent of propylene carbonate and diethyl carbonate (volume ratio 1: 1, manufactured by Kishida Chemical Co., Ltd.) was used as the electrolyte solvent, and charge / discharge was performed. A test was conducted.

(1−B)ハロゲン:ICl3
[実施例3]
ヨウ素の代わりにヨウ化トリクロリド(アルドリッチ製,純度97%)655mg(0.23mol/L)を用いた以外は、実施例1と同様の工程を経て実施例3の評価セルを作製し充放電試験を行った。
(1-B) Halogen: ICl 3
[Example 3]
The evaluation cell of Example 3 was produced through the same process as Example 1 except that 355 mg (0.23 mol / L) of iodotrichloride (Aldrich, purity 97%) was used instead of iodine. Went.

[比較例2]
電解液溶媒にプロピレンカーボネートを用いた以外は実施例3と同様の工程を経て比較例2の評価セルを作製し充放電試験を行った。
[Comparative Example 2]
The evaluation cell of the comparative example 2 was produced through the process similar to Example 3 except having used the propylene carbonate for the electrolyte solvent, and the charge / discharge test was done.

[実施例4,5]
電解液溶媒にリン酸トリエチル(アルドリッチ製)を用い、負極にMg棒を用いた以外は実施例3と同様の工程を経て実施例4の評価セルを作製し充放電試験を行った。また、電解液溶媒にアセトニトリル(和光純薬製、脱水品)を用い、負極にMg棒を用いた以外は実施例3と同様の工程を経て実施例5の評価セルを作製し充放電試験を行った。
[Examples 4 and 5]
The evaluation cell of Example 4 was produced through the same process as Example 3 except that triethyl phosphate (manufactured by Aldrich) was used as the electrolyte solvent and an Mg rod was used as the negative electrode, and a charge / discharge test was performed. Moreover, the evaluation cell of Example 5 was produced through the same process as Example 3 except that acetonitrile (made by Wako Pure Chemicals, dehydrated product) was used as the electrolyte solvent, and an Mg rod was used as the negative electrode, and the charge / discharge test was performed. went.

(1−C)ハロゲン:ICl
[実施例6]
ヨウ化トリクロリドの代わりにヨウ化モノクロリド(アルドリッチ製)765mg(0.39mol/L)を用いた以外は実施例5と同様の工程を経て実施例6の評価セルを作製し充放電試験を行った。
(1-C) Halogen: ICl
[Example 6]
The evaluation cell of Example 6 was prepared through the same steps as Example 5 except that 765 mg (0.39 mol / L) iodinated monochloride (Aldrich) was used instead of iodinated trichloride, and a charge / discharge test was performed. It was.

[比較例3]
電解液溶媒にアセトニトリルの代わりにプロピレンカーボネートを用いた以外は実施例6と同様の工程を経て比較例3の評価セルを作製し充放電試験を行った。
[Comparative Example 3]
An evaluation cell of Comparative Example 3 was prepared and subjected to a charge / discharge test through the same steps as in Example 6 except that propylene carbonate was used instead of acetonitrile as the electrolyte solvent.

(1−D)ハロゲン:Br2
[実施例7]
ヨウ化トリクロリドの代わりに臭素(アルドリッチ製)765mg(0.79mol/L)を用いた以外は実施例3と同様の工程を経て実施例7の評価セルを作製し充放電試験を行った。
(1-D) Halogen: Br 2
[Example 7]
An evaluation cell of Example 7 was prepared through the same steps as Example 3 except that 765 mg (0.79 mol / L) bromine (manufactured by Aldrich) was used instead of trichloride iodide, and a charge / discharge test was performed.

[実験結果]
表1にマグネシウム−ハロゲン電池(実施例1〜7及び比較例1〜3)の実験結果を示す。図3は、ハロゲンとしてI2を用いた実施例1,2及び比較例1の放電曲線である。図4は、ハロゲンとしてICl3を用いた実施例3〜5及び比較例2の放電曲線である。図5は、ハロゲンとしてIClを用いた実施例6及び比較例3の放電曲線である。図6は、ハロゲンとしてBr2を用いた実施例7の放電曲線である。表1及び、図3〜6より、実施例1〜7では、比較例1〜3と比較して、高い放電電圧を維持できることがわかった。ハロゲンとしては、ICl3を用いた実施例3〜5や、IClを用いた実施例6,Br2を用いた実施例7で高い放電電圧を維持し、中でもICl3を用いたものがより高い放電電圧を維持できることがわかった。電解液溶媒としては、アセトニトリルを用いた実施例5,6が高い放電電圧を維持できることがわかった。特に、アセトニトリルは、リチウム電池ではリチウムと反応してしまい適用できないことから、マグネシウム電池に特に適しているといえる。
[Experimental result]
Table 1 shows the experimental results of the magnesium-halogen batteries (Examples 1 to 7 and Comparative Examples 1 to 3). FIG. 3 is a discharge curve of Examples 1 and 2 and Comparative Example 1 using I 2 as the halogen. 4 is a discharge curve of Examples 3 to 5 and Comparative Example 2 using ICl 3 as the halogen. FIG. 5 is a discharge curve of Example 6 and Comparative Example 3 using ICl as the halogen. FIG. 6 is a discharge curve of Example 7 using Br 2 as the halogen. From Table 1 and FIGS. 3-6, it turned out that Examples 1-7 can maintain a high discharge voltage compared with Comparative Examples 1-3. As the halogen, Examples 3 to 5 using ICl 3 , Example 6 using ICl, and Example 7 using Br 2 maintain a high discharge voltage, and those using ICl 3 are particularly higher. It was found that the discharge voltage can be maintained. It was found that Examples 5 and 6 using acetonitrile as the electrolyte solvent can maintain a high discharge voltage. In particular, acetonitrile is particularly suitable for magnesium batteries because it reacts with lithium and cannot be applied in lithium batteries.

Figure 0005786540
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(2)マグネシウム−空気電池
[実施例8]
(評価セルの作製)
正極は次のようにして作製した。まず、酸化還元触媒としての電解二酸化マンガン(三井金属鉱山製)10mgと、導電材としてのケッチェンブラック(三菱化学製ECP−600)116mgと、結着材としてのテフロンバインダー(ダイキン工業製、テフロンは登録商標)24.8mgとを乾式で乳鉢を用いて練り合わせてシート状の正極合材を得た。この正極合材5mgをSUSメッシュ(ニラコ製)に圧着して正極部材を得た。負極には厚さ0.2mmで10mm×10mmの金属マグネシウム(和光純薬工業製)を用いた。 イオン伝導媒体としての電解液は、次のようにして調整した。まず、支持塩としてのマグネシウムパークロレート(アルドリッチ製)0.5mol/Lを、電解液溶媒としてのアセトニトリルに溶解させて溶液を調整した。この溶液10mLに、ヨウ化トリクロリド3mg(0.46mmol/L)を溶解させて電解液とした。このようにして得られた正極、負極、電解液を用いて、アルゴン雰囲気下のグローブボックス内で、次のように評価セル(F型電気化学セル)30を作製した。まず、図7に示すように、SUS製のケーシング32に負極34を設置し、正極36と負極34とを対向するようにセットした。そして、電解液38を5mL注入し、15時間保持して、負極表面の不動態膜を除く処理を行った。その後、正極36に発泡ニッケル板42を載せ、その上に、空気が正極36側へ流通可能なガス溜め44を配置し、セルを固定して実施例8の評価セル30を得た。なお、評価セル30のガス溜め44にはドライ酸素を充填した。
(2) Magnesium-air battery [Example 8]
(Production of evaluation cell)
The positive electrode was produced as follows. First, 10 mg of electrolytic manganese dioxide (made by Mitsui Mining Co., Ltd.) as a redox catalyst, 116 mg of ketjen black (ECP-600 made by Mitsubishi Chemical) as a conductive material, and Teflon binder (made by Daikin Industries, Teflon as a binder) Was registered with a dry mortar using a mortar to obtain a sheet-like positive electrode mixture. 5 mg of this positive electrode mixture was pressure-bonded to a SUS mesh (manufactured by Niraco) to obtain a positive electrode member. For the negative electrode, metal magnesium (manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) having a thickness of 0.2 mm and 10 mm × 10 mm was used. The electrolytic solution as the ion conduction medium was adjusted as follows. First, a solution was prepared by dissolving 0.5 mol / L of magnesium perchlorate (manufactured by Aldrich) as a supporting salt in acetonitrile as an electrolyte solvent. In 10 mL of this solution, 3 mg (0.46 mmol / L) of trichloride iodide was dissolved to obtain an electrolytic solution. An evaluation cell (F-type electrochemical cell) 30 was produced in the glove box under an argon atmosphere using the positive electrode, the negative electrode, and the electrolytic solution thus obtained as follows. First, as shown in FIG. 7, the negative electrode 34 was installed in the SUS casing 32, and the positive electrode 36 and the negative electrode 34 were set to face each other. And 5 mL of electrolyte solution 38 was inject | poured and hold | maintained for 15 hours, and the process which removes the passive film of a negative electrode surface was performed. Thereafter, a foamed nickel plate 42 was placed on the positive electrode 36, a gas reservoir 44 through which air can flow to the positive electrode 36 side was placed, and the cell was fixed to obtain an evaluation cell 30 of Example 8. The gas reservoir 44 of the evaluation cell 30 was filled with dry oxygen.

(充放電試験)
組み立てた評価セル30を北斗電工製の充放電装置(HJ1001SM8A)に接続し、正極と負極の間で0.010mAの電流(正極材料あたり2mA/g)を流して、正極材料あたり300mAh/gまで放電させた。
(Charge / discharge test)
The assembled evaluation cell 30 is connected to a charge / discharge device (HJ1001SM8A) manufactured by Hokuto Denko, and a current of 0.010 mA (2 mA / g per positive electrode material) is allowed to flow between the positive electrode and the negative electrode up to 300 mAh / g per positive electrode material. Discharged.

[比較例4]
電解液を、ヨウ化トリクロリドを含まないものとした以外は、実施例8と同様の工程を経て評価セルを作製し充放電試験を行った。
[Comparative Example 4]
An evaluation cell was prepared through the same steps as in Example 8 except that the electrolytic solution did not contain trichloride iodide, and a charge / discharge test was performed.

[実験結果]
表2にマグネシウム−空気電池(実施例8及び比較例4)の実験結果を示す。図8は、実施例8及び比較例4の放電曲線である。図9は、実施例8及び比較例4について、放電電流密度を変えたときの放電開始10秒後の電圧を示すグラフである。ハロゲンを用いない比較例4よりハロゲンを用いた実施例8の方が高い放電電圧を維持していた。このことから、本発明のものでは、空気電池であっても、高い放電電圧を維持できることがわかった。また、実施例8では、電流密度を大きくした場合に、放電電圧の小さくなる割合が小さかった。このことから、本発明では、大電流特性も良好であることがわかった。
[Experimental result]
Table 2 shows the experimental results of the magnesium-air battery (Example 8 and Comparative Example 4). FIG. 8 is a discharge curve of Example 8 and Comparative Example 4. FIG. 9 is a graph showing the voltage 10 seconds after the start of discharge when the discharge current density is changed for Example 8 and Comparative Example 4. The discharge voltage of Example 8 using halogen was higher than that of Comparative Example 4 using no halogen. From this, it was found that the present invention can maintain a high discharge voltage even with an air battery. In Example 8, when the current density was increased, the rate at which the discharge voltage decreased was small. From this, it was found that the large current characteristics were also good in the present invention.

Figure 0005786540
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(3)マグネシウムイオン電池
[参考例1]
(評価セルの作製)
正極は次のようにして作製した。まず、導電材としてのアセチレンブラック(三井金属鉱山製)80mg、正極活物質としての五酸化バナジウム(アルドリッチ製)120mg、結着材としてのテフロンバインダー(ダイキン工業製、テフロンは登録商標)35mgとを乾式で乳鉢を用いて練り合わせてシート状の正極合材を得た。この正極合材5mgをSUSメッシュ(ニラコ製)に圧着して正極部材を得た。負極には直径16mm、厚さ0.2mmのマグネシウム(和光純薬工業属製)を用いた。この負極は、ヨウ化トリクロリド3mg(0.46mmol/L)を溶解させたリン酸トリメチル10mLに30分間浸漬し、負極表面の不動態膜を除く処理を行ってから実験に用いた。イオン伝導媒体としての電解液は次のようにして調整した。まず、支持塩としてのマグネシウムパークロレート(アルドリッチ製)0.5mol/Lを電解液溶媒としての3−メトキシプロピオニトリル(和光純薬製)に溶解させて溶液を調整した。このようにして得られた正極、負極、電解液と、ポリエチレン製のセパレータ(東燃化学製)を用いて、アルゴン雰囲気下のグローブボックス内で、評価セルを作成した。このようにして得られた評価セルを参考例1とした。
(3) Magnesium ion battery [Reference Example 1]
(Production of evaluation cell)
The positive electrode was produced as follows. First, 80 mg of acetylene black (made by Mitsui Mining Co., Ltd.) as a conductive material, 120 mg of vanadium pentoxide (made by Aldrich) as a positive electrode active material, and 35 mg of Teflon binder (made by Daikin Industries, Teflon is a registered trademark) as a binder. It knead | mixed using the mortar with the dry type, and obtained the sheet-like positive mix. 5 mg of this positive electrode mixture was pressure-bonded to a SUS mesh (manufactured by Niraco) to obtain a positive electrode member. Magnesium (manufactured by Wako Pure Chemical Industries) having a diameter of 16 mm and a thickness of 0.2 mm was used for the negative electrode. This negative electrode was immersed in 10 mL of trimethyl phosphate dissolved with 3 mg (0.46 mmol / L) of trichloride iodide for 30 minutes and used for the experiment after removing the passive film on the negative electrode surface. The electrolytic solution as the ion conductive medium was adjusted as follows. First, a solution was prepared by dissolving 0.5 mol / L of magnesium perchlorate (manufactured by Aldrich) as a supporting salt in 3-methoxypropionitrile (manufactured by Wako Pure Chemical Industries) as an electrolyte solvent. An evaluation cell was prepared in a glove box under an argon atmosphere using the positive electrode, the negative electrode, the electrolytic solution thus obtained, and a polyethylene separator (manufactured by Tonen Chemical). The evaluation cell thus obtained was designated as Reference Example 1.

(充放電試験)
組み立てた評価セルを北斗電工製の充放電装置(HJ1001SM8A)に接続し、正極と負極の間で0.010mAの電流(正極材料あたり2mA/g)を流して、0.70mAhまで放電した。
(Charge / discharge test)
The assembled evaluation cell was connected to a charge / discharge device (HJ1001SM8A) manufactured by Hokuto Denko, and a current of 0.010 mA (2 mA / g per positive electrode material) was passed between the positive electrode and the negative electrode to discharge to 0.70 mAh.

(表面分析)
評価セルに組み込む前の負極の表面について、MgO量を二次イオン質量分析により測定した(IONTOF社、TOFSIMS5)。具体的には、ヨウ化トリクロリド3mgを溶解させたリン酸トリメチル10mLへ30分間浸漬させ、その後リン酸トリメチル、トルエンの順に洗浄したものについて評価した。
(Surface analysis)
About the surface of the negative electrode before incorporating in an evaluation cell, the amount of MgO was measured by secondary ion mass spectrometry (IONTOF, TOFSIMS5). Specifically, it was evaluated by immersing in 10 mL of trimethyl phosphate in which 3 mg of trichloride iodide was dissolved, and then washing in the order of trimethyl phosphate and toluene.

[参考例2]
負極を負極表面の不動態膜を除く処理を行わずに用いた以外は参考例1と同様の工程を経て参考例2の評価セルを作製し、充放電試験及び表面分析を行った。なお、表面分析には、負極をそのまま用いた。
[Reference Example 2]
An evaluation cell of Reference Example 2 was prepared through the same steps as in Reference Example 1 except that the negative electrode was used without performing treatment for removing the passive film on the negative electrode surface, and a charge / discharge test and surface analysis were performed. In the surface analysis, the negative electrode was used as it was.

[実験結果]
表3にマグネシウムイオン電池(参考例1,2)の実験結果を示す。図10は、参考例1,2の放電曲線である。参考例1では参考例2より高い放電電圧を維持することができた。参考例1では、電解液中に非水系溶媒とハロゲンとの分子錯体が含まれていないが、予めこうした分子錯体を含む処理液で負極を処理することで負極表面のMgO被膜(不動態被膜)が除去されたため、参考例2と比べて良好な結果が得られたものと推察された。ここで、負極表面のMgO被膜が除去されたことは、図11に示す二次イオン質量分析による表面分析の結果より確認された。図11より、ICl3溶液で処理すると、処理をしていない場合に比べてMg表面のMgO量が減ったことがわかった。こうしたことから、実施例1〜8の電池は、表面のMgO被膜を予め除去することなくそのまま負極を用いて組み立てたものであるが、電解液中に分子錯体が含まれていたため、予め表面のMgO被膜を除去した負極を用いた参考例1の電池と同様、MgO被膜が除去されて放電電圧を高く維持する効果が得られた考えられる。つまり、予め負極表面のMgO被膜を除去する処理を行わなくても、電解液中に非水系溶媒とハロゲンとの分子錯体を含ませておけば、放電電圧を高く維持することができるといえる。なお、マグネシウムイオン電池においても、表面のMgO被膜を予め除去することなくそのまま負極を用い、電解液中に非水系溶媒とハロゲンとの分子錯体を含むようにすれば、参考例1と同等の効果が得られると推察された。
[Experimental result]
Table 3 shows the experimental results of the magnesium ion batteries (Reference Examples 1 and 2). FIG. 10 is a discharge curve of Reference Examples 1 and 2. In Reference Example 1, a higher discharge voltage than in Reference Example 2 could be maintained. In Reference Example 1, the electrolyte solution does not contain a molecular complex of a non-aqueous solvent and a halogen. However, the MgO film (passive film) on the surface of the negative electrode is obtained by treating the negative electrode with a treatment liquid containing such a molecular complex in advance. Therefore, it was inferred that better results were obtained than in Reference Example 2. Here, the removal of the MgO coating on the negative electrode surface was confirmed from the results of surface analysis by secondary ion mass spectrometry shown in FIG. From FIG. 11, it was found that the treatment with the ICl 3 solution decreased the amount of MgO on the Mg surface compared to the case where the treatment was not performed. For these reasons, the batteries of Examples 1 to 8 were assembled using the negative electrode without removing the MgO coating on the surface in advance. However, since the electrolyte contained a molecular complex, Like the battery of Reference Example 1 using the negative electrode from which the MgO film was removed, it is considered that the effect of maintaining the discharge voltage high by removing the MgO film was obtained. In other words, it can be said that the discharge voltage can be kept high if a molecular complex of a non-aqueous solvent and a halogen is included in the electrolytic solution without performing a treatment for removing the MgO film on the negative electrode surface in advance. In the magnesium ion battery, the same effect as in Reference Example 1 can be obtained if the negative electrode is used as it is without removing the MgO coating on the surface in advance and the electrolyte contains a molecular complex of a non-aqueous solvent and a halogen. It was inferred that

Figure 0005786540
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以上詳述した実施例では、ハロゲンとして、ヨウ素、臭素、ヨウ化モノクロリド、ヨウ化トリクロリドのいずれを用いても高い放電電圧を維持することができたことから、ハロゲンは、実施例で用いたもの以外でも、同様の効果が得られるものと推察された。例えば、塩素やヨウ化モノブロミド、ヨウ化トリブロミドなどでもよいと推察された。   In the examples described in detail above, a high discharge voltage could be maintained even when any of iodine, bromine, iodinated monochloride, and trichloride iodide was used as the halogen. Therefore, the halogen was used in the examples. It was speculated that the same effect could be obtained with other than the above. For example, it was speculated that chlorine, iodinated monobromide, iodinated tribromide and the like may be used.

(4)不動態被膜除去試験
本発明において、高い放電容量を維持できる理由としては、本発明の構成とすることで、Mg負極表面の不動態被膜の主成分であるMgOの分解が起こるためと推察された。このことを確認するため、以下の実験を行った。まず、サンプルとして、以下の参考例3〜7を用意した。MgO(アルドリッチ製、純度99.99%)27mgを9mLのスクリュー管に入れ、これに、ヨウ素8.3mgを溶解した重水素化ジメチルスルホキシド3mLを試液として加え、参考例3とした。また、ヨウ素を含まない以外は参考例3と同様にして得たものを参考例4とした。また、重水素化ジメチルスルホキシドの代わりにリン酸トリメチルを用いた以外は参考例3と同様にして得たものを参考例5とした。また、ヨウ素を含まない以外は参考例5と同様にして得たものを参考例6とした。さらに、重水素化ジメチルスルホキシドの代わりにプロピレンカーボネート(キシダ化学)を用いた以外は参考例3と同様にして得たものを参考例7とした。このようにして得られた参考例3〜7のサンプルを、80℃の恒温槽に3日間放置し、MgOの分解の有無を調べた。加熱試験後の試液の色変化を目視で観察するとともに、溶解したMg量をICP発光分析により定量した。
(4) Passive film removal test In the present invention, the reason why a high discharge capacity can be maintained is that decomposition of MgO, which is the main component of the passive film on the surface of the Mg negative electrode, occurs due to the configuration of the present invention. Inferred. In order to confirm this, the following experiment was conducted. First, the following reference examples 3 to 7 were prepared as samples. 27 mg of MgO (manufactured by Aldrich, purity 99.99%) was placed in a 9 mL screw tube, and 3 mL of deuterated dimethyl sulfoxide in which 8.3 mg of iodine was dissolved was added as a test solution to obtain Reference Example 3. Further, Reference Example 4 was obtained in the same manner as Reference Example 3 except that iodine was not included. Reference Example 5 was obtained in the same manner as Reference Example 3 except that trimethyl phosphate was used instead of deuterated dimethyl sulfoxide. Further, Reference Example 6 was obtained in the same manner as Reference Example 5 except that iodine was not included. Further, Reference Example 7 was obtained in the same manner as Reference Example 3 except that propylene carbonate (Kishida Kagaku) was used instead of deuterated dimethyl sulfoxide. The samples of Reference Examples 3 to 7 thus obtained were left in a constant temperature bath at 80 ° C. for 3 days to examine whether MgO was decomposed. The color change of the test solution after the heating test was visually observed, and the dissolved Mg amount was quantified by ICP emission analysis.

表4に参考例3〜7の実験結果を示す。ジメチルスルホキシドにヨウ素を加えた参考例3や、リン酸トリメチルにヨウ素を加えた参考例5では、試液の色が赤褐色から脱色したことや、試液中に溶解したMg量が25μg/gや28μg/gであったことから、これらの試液ではMgOを分解して溶解する効果があることが確認された。また、ヨウ素を加えなかった参考例4,6では、試液の色が無色のまま変化せず、試液中に溶解したMg量が0.2μg/g未満であったことから、これらの試液ではMgOを分解して溶解する効果がほとんどないことが確認された。このことから、MgOの分解が起こるにはハロゲンが必要であることがわかった。また、ヨウ素を加えたものであっても、プロピレンカーボネートを用いた参考例7では、試液の色が赤褐色のまま変化せず、試液中に溶解したMg量が0.2μg/g未満であり、MgOを分解して溶解する効果がほとんどないことが確認された。ここで、プロピレンカーボネートはハロゲンと分子錯体を形成する能力があると考えられるが、その能力が低いため、効果が得られなかったと考えられる。このことから、非水系溶媒は、ハロゲンとの間で分子錯体を形成するだけでなく、分子錯体を形成する能力が高いもの、具体的には、硫黄と酸素との二重結合を1以上有する含硫黄有機化合物、リンと酸素との二重結合を1以上有する含リン有機化合物、炭素と窒素との三重結合を1以上有する含窒素有機化合物のいずれか1以上である必要があることがわかった。   Table 4 shows the experimental results of Reference Examples 3 to 7. In Reference Example 3 in which iodine was added to dimethyl sulfoxide and Reference Example 5 in which iodine was added to trimethyl phosphate, the color of the test solution was decolorized from reddish brown, and the amount of Mg dissolved in the test solution was 25 μg / g or 28 μg / Therefore, it was confirmed that these test solutions had an effect of decomposing and dissolving MgO. In Reference Examples 4 and 6 in which iodine was not added, the color of the test solution remained colorless and the amount of Mg dissolved in the test solution was less than 0.2 μg / g. It was confirmed that there was almost no effect of decomposing and dissolving. From this, it was found that halogen is necessary for decomposition of MgO. Further, even in the case where iodine is added, in Reference Example 7 using propylene carbonate, the color of the test solution remains reddish brown, and the amount of Mg dissolved in the test solution is less than 0.2 μg / g, It was confirmed that there was almost no effect of decomposing and dissolving MgO. Here, it is considered that propylene carbonate has the ability to form a molecular complex with halogen, but since the ability is low, it is considered that the effect was not obtained. From this, the non-aqueous solvent not only forms a molecular complex with halogen, but also has a high ability to form a molecular complex, specifically, has one or more double bonds of sulfur and oxygen. It is understood that it should be at least one of a sulfur-containing organic compound, a phosphorus-containing organic compound having at least one double bond of phosphorus and oxygen, and a nitrogen-containing organic compound having at least one triple bond of carbon and nitrogen It was.

Figure 0005786540
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(5)ラマンスペクトル分析
電解液溶媒がハロゲンと分子錯体を形成していることを確認するため、ラマンスペクトル分析を行った。具体的には、ジメチルスルホキシド(DMSO)およびリン酸トリメチル(TMP)について、ヨウ素を添加しないものとヨウ素を添加したものとを用意し、ラマンスペクトルを測定した。ラマンスペクトル分析は、レーザラマン分光システム(日本分光(株)製、NRS−3300)を用い、波長532nmの励起光で行った。図12は、DMSOのラマンスペクトル測定結果である。図12において、ヨウ素を含むものでは、ヨウ素を含まないものと比較してDMSOのS=O伸縮に基づく1045〜1055cm-1付近のシグナルが低波数側にシフトし、強度が弱くなった。このような差異は、DMSOとヨウ素とが分子錯体を形成し、二重結合が弱まったことに起因するものと推察された。また、図13及び図14は、TMPのラマンスペクトル測定結果である。TMPでは、特徴的なピークが2つ観察され両者が離れているため、高波数側のものを図13、低波数側のものを図14に示した。図13において、ヨウ素を含むものでは、ヨウ素を含まないものと比較してTMPのP=O伸縮に起因する1270〜1280cm-1付近のシグナルの強度が弱くなった。また、図14において、ヨウ素を含むものでは、ヨウ素を含まないものと比較してTMPのO−P−O対称伸縮に起因する730〜740cm-1付近のシグナルが低波数側にシフトし、強度が弱くなった。このような差異は、TMPとヨウ素とが分子錯体を形成したことに起因するものと推察された。
(5) Raman spectrum analysis In order to confirm that the electrolyte solvent formed a molecular complex with halogen, Raman spectrum analysis was performed. Specifically, with respect to dimethyl sulfoxide (DMSO) and trimethyl phosphate (TMP), those not added with iodine and those added with iodine were prepared, and Raman spectra were measured. The Raman spectrum analysis was performed with excitation light having a wavelength of 532 nm using a laser Raman spectroscopy system (manufactured by JASCO Corporation, NRS-3300). FIG. 12 shows the results of Raman spectrum measurement of DMSO. In FIG. 12, in the case of containing iodine, the signal in the vicinity of 1045 to 1055 cm −1 based on the S═O stretching of DMSO was shifted to the lower wavenumber side and the intensity was weaker than that containing no iodine. It was speculated that such a difference was caused by DMSO and iodine forming a molecular complex and weakening the double bond. 13 and 14 show the TMP Raman spectrum measurement results. In TMP, since two characteristic peaks are observed and both are separated, the high wave number side is shown in FIG. 13 and the low wave number side is shown in FIG. In FIG. 13, in the case of containing iodine, the intensity of the signal in the vicinity of 1270 to 1280 cm −1 due to the T═P stretching of TMP was weaker than that containing no iodine. In addition, in FIG. 14, in the case of containing iodine, the signal in the vicinity of 730 to 740 cm −1 caused by the TMP O—P—O symmetrical expansion and contraction is shifted to the lower wavenumber side than in the case of not containing iodine. Became weaker. It was speculated that such a difference was caused by the formation of a molecular complex between TMP and iodine.

リン酸トリメチル(TMP)について、臭素を添加しないものと臭素を添加したものとを用意し、上述と同様にしてラマンスペクトルを測定した。図15及び図16はTMPのラマンスペクトルである。TMPでは、特徴的なピークが2つ観察され両者が離れているため、高波数側のものを図15、低波数側のものを図16に示した。図15において、臭素を含むものでは、臭素を含まないものと比較してTMPのP=O伸縮に起因する1270〜1280cm-1付近のシグナルが高波数側にシフトした。また、図16において、臭素を含むものでは、臭素を含まないものと比較してTMPのO−P−O対称伸縮に起因する730〜740cm-1付近のシグナルが高波数側にシフトした。このような差異は、TMPと臭素とが分子錯体を形成したことに起因するものと推察された。 About trimethyl phosphate (TMP), a bromine-free one and a bromine-added one were prepared, and the Raman spectrum was measured in the same manner as described above. 15 and 16 are Raman spectra of TMP. In TMP, two characteristic peaks are observed and the two are separated from each other. Therefore, the high wave number side is shown in FIG. 15, and the low wave number side is shown in FIG. In FIG. 15, in the case of containing bromine, the signal in the vicinity of 1270 to 1280 cm −1 due to the T═P stretching of TMP was shifted to the higher wavenumber side than that containing no bromine. Further, in FIG. 16, in the case of containing bromine, the signal in the vicinity of 730 to 740 cm −1 caused by the TMP O—P—O symmetrical expansion and contraction was shifted to the high wavenumber side as compared with the case of not containing bromine. Such a difference was presumed to be caused by the formation of a molecular complex between TMP and bromine.

10 非水系マグネシウム電池、14 負極、16 正極、16a 集電体、16b 導電材、16c バインダ、18 イオン伝導媒体、20 評価セル(ビーカーセル)、22 正極、24 負極、26 電解液、28 蓋、30 評価セル(F型電気化学セル)、32 ケーシング、34 負極、36 正極、38 電解液、42 発泡ニッケル板、44 ガス溜め。   10 non-aqueous magnesium battery, 14 negative electrode, 16 positive electrode, 16a current collector, 16b conductive material, 16c binder, 18 ion conductive medium, 20 evaluation cell (beaker cell), 22 positive electrode, 24 negative electrode, 26 electrolyte, 28 lid, 30 evaluation cell (F type electrochemical cell), 32 casing, 34 negative electrode, 36 positive electrode, 38 electrolyte, 42 nickel foam plate, 44 gas reservoir.

Claims (3)

正極と、
マグネシウムを含む負極活物質を有する負極と、
前記正極と前記負極との間に介在し、マグネシウムイオン、ハロゲン、及び、非水系溶媒を含み、マグネシウムイオンを伝導するイオン伝導媒体と、
を備えた非水系マグネシウム電池であって、
前記イオン伝導媒体は、前記ハロゲンとして、ヨウ素、臭素及び塩素から選ばれた2種以上の元素の化合物を含み、
前記非水系溶媒は、前記ハロゲンと分子錯体を形成するものであり、硫黄と酸素との二重結合を1以上有する含硫黄有機化合物、リンと酸素との二重結合を1以上有する含リン有機化合物、炭素と窒素との三重結合を1以上有する含窒素有機化合物からなる群より選ばれた1種以上である、
非水系マグネシウム電池。
A positive electrode;
A negative electrode having a negative electrode active material containing magnesium;
An ion conducting medium that is interposed between the positive electrode and the negative electrode and contains magnesium ions, halogen, and a non-aqueous solvent, and conducts magnesium ions;
A non-aqueous magnesium battery comprising:
The ion conductive medium includes a compound of two or more elements selected from iodine, bromine and chlorine as the halogen,
The non-aqueous solvent forms a molecular complex with the halogen, and includes a sulfur-containing organic compound having one or more double bonds of sulfur and oxygen, or a phosphorus-containing organic having one or more double bonds of phosphorus and oxygen. A compound, one or more selected from the group consisting of nitrogen-containing organic compounds having one or more triple bonds of carbon and nitrogen,
Non-aqueous magnesium battery.
前記非水系溶媒は、スルホキシド化合物、スルホン化合物、ホスフィンオキシド化合物、及び、ニトリル化合物からなる群より選ばれた1種以上を含む、請求項1に記載の非水系マグネシウム電池。   2. The non-aqueous magnesium battery according to claim 1, wherein the non-aqueous solvent includes at least one selected from the group consisting of a sulfoxide compound, a sulfone compound, a phosphine oxide compound, and a nitrile compound. 前記イオン伝導媒体は、前記ハロゲンとして、ヨウ化モノブロミド(IBr)、ヨウ化モノクロリド(ICl)、及び、ヨウ化トリクロリド(ICl3)からなる群より選ばれた1種以上を含む、請求項1又は2に記載の非水系マグネシウム電池。 The ion-conducting medium includes at least one selected from the group consisting of iodinated monobromide (IBr), iodinated monochloride (ICl), and iodinated trichloride (ICl 3 ) as the halogen. Or the non-aqueous magnesium battery of 2.
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