JP6175703B2 - Non-aqueous electrolyte secondary battery - Google Patents

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Description

本発明は、非水電解液二次電池に関するものであり、特に、重水素化活物質を用いた非水電解液二次電池に関するものである。   The present invention relates to a non-aqueous electrolyte secondary battery, and particularly to a non-aqueous electrolyte secondary battery using a deuterated active material.

携帯電話やポータブル電子機器の市場の拡大とともに、これらに用いられる電池に対して、エネルギー密度の向上や高出力化といった要求が高まっている。これらの要求に応えるため、リチウムイオン等のアルカリ金属イオンを荷電担体として、その電荷授受に伴う電気化学反応を利用した二次電池が開発されている。特に、リチウムイオン二次電池は、エネルギー密度が大きく、現在広く普及している。   Along with the expansion of the market for mobile phones and portable electronic devices, there are increasing demands for higher energy density and higher output for batteries used in these devices. In order to meet these demands, secondary batteries using an alkali metal ion such as lithium ion as a charge carrier and utilizing an electrochemical reaction associated with charge exchange have been developed. In particular, lithium ion secondary batteries have a high energy density and are currently widely used.

このようなリチウムイオン二次電池には、正極活物質としてリチウム含有遷移金属酸化物が、負極活物質として炭素材料が用いられている。そして、これらの活物質に対するリチウムイオンの挿入反応及び脱離反応を利用して電池の充放電を行っている。しかしながら、リチウムイオン二次電池のエネルギー密度は理論的な限界に近付いており、さらなる高エネルギー密度化が難しい状況となっている。   In such a lithium ion secondary battery, a lithium-containing transition metal oxide is used as a positive electrode active material, and a carbon material is used as a negative electrode active material. And charging / discharging of a battery is performed using the insertion reaction and elimination | desorption reaction of lithium ion with respect to these active materials. However, the energy density of the lithium ion secondary battery is approaching the theoretical limit, and it is difficult to further increase the energy density.

そこで、このような問題を解決すべく、近年、有機化合物を正極活物質とする二次電池が提案されている。このような二次電池には、有機ラジカル化合物を利用したものや有機硫黄化合物、キノン化合物を利用したものがあり、これらの研究開発が盛んにおこなわれている。   In order to solve such problems, secondary batteries using an organic compound as a positive electrode active material have been recently proposed. Such secondary batteries include those using organic radical compounds, those using organic sulfur compounds, and quinone compounds, and these researches and developments are actively conducted.

ところで、特許文献1には、ニトロキシルラジカル化合物、オキシラジカル化合物及び窒素原子上にラジカルを有する窒素ラジカル化合物を使用した二次電池用活物質が開示されている。この特許文献1には、ラジカルとして安定性が高いニトロキシルラジカルを使用した実施例が記載されている。具体的には、例えば、ニトロニルニトロキシド化合物を含む電極層を正極とし、リチウム張り合わせ銅箔を負極として二次電池を作成して繰り返し充放電したところ、10サイクル以上にわたって充放電が可能であることが開示されている。   By the way, Patent Document 1 discloses a secondary battery active material using a nitroxyl radical compound, an oxy radical compound, and a nitrogen radical compound having a radical on a nitrogen atom. This Patent Document 1 describes an example using a nitroxyl radical having high stability as a radical. Specifically, for example, when a secondary battery is created using an electrode layer containing a nitronyl nitroxide compound as a positive electrode and a lithium-bonded copper foil as a negative electrode and repeatedly charged and discharged, it can be charged and discharged over 10 cycles or more. Is disclosed.

また、有機硫黄化合物は、結合エネルギーの小さなS−S結合を形成するため、反応による結合と開裂とを利用して充放電を行うことができる。例えば、特許文献2及び非特許文献1には、下記式(A)で示されるジスルフィド化合物を電極活物質とする蓄電デバイスが開示されている。
R−S−S−R … (A)
(ただし、上記式(A)において、Rは脂肪族有機基又は芳香族有機基を表しており、それぞれ同一であっても異なっていてもよい。)
In addition, since the organic sulfur compound forms an SS bond having a small binding energy, it can be charged and discharged by utilizing a bond and a cleavage by reaction. For example, Patent Document 2 and Non-Patent Document 1 disclose an electricity storage device using a disulfide compound represented by the following formula (A) as an electrode active material.
R-S-S-R (A)
(However, in the above formula (A), R represents an aliphatic organic group or an aromatic organic group, which may be the same or different.)

この有機硫黄化合物は、還元状態でS−S結合が開裂することによって、有機チオレート(R−SH)を形成する。そして、この有機チオレートは、酸化状態でS−S結合が形成されて有機硫黄化合物(R−S−S−R)に復元する。つまり、この有機ジスルフィド化合物の可逆的な酸化還元反応によって充放電を行うことができる。   This organic sulfur compound forms an organic thiolate (R-SH) by cleaving the S—S bond in the reduced state. And this organic thiolate is restored to an organic sulfur compound (R—S—S—R) by forming an S—S bond in an oxidized state. That is, charging / discharging can be performed by a reversible oxidation-reduction reaction of the organic disulfide compound.

また、特許文献3には、下記式(B)で示される構造単位を有しており、リチウムイオンと結合可能であるルベアン酸又はルベアン酸ポリマーを含む蓄電デバイスが開示されている。この特許文献3には、ルベアン酸を用いた場合に、活物質の質量あたり400Ah/kgの容量密度を有する電池が得られることが示されている。
−(NH−CS−CS−NH)− … (B)
Patent Document 3 discloses a power storage device including rubeanic acid or a rubeanic acid polymer that has a structural unit represented by the following formula (B) and can be bonded to lithium ions. Patent Document 3 shows that when rubeanic acid is used, a battery having a capacity density of 400 Ah / kg per mass of the active material is obtained.
-(NH-CS-CS-NH)-(B)

ところで、キノン化合物は、共役系によって還元体であるエノラートイオンが安定化されるため、酸化還元反応が可逆であり、このキノン化合物を利用して充放電を行うことができる。特許文献4には、オルト位の位置関係で2つのキノン基を有する特定のキノン化合物、特にフェナントレンキノン化合物をオリゴマー化又はポリマー化して電極活物質とした蓄電デバイスが開示されている。具体的には、フェナントレンキノン2量体が二つの酸化還元電圧(2.9V付近及び2.5V付近)を示し、初回の放電容量が200Ah/kgに達することが記載されている。   By the way, since the enolate ion which is a reductant is stabilized by a conjugated system, an oxidation reduction reaction is reversible and can charge / discharge using this quinone compound. Patent Document 4 discloses a power storage device in which an electrode active material is obtained by oligomerizing or polymerizing a specific quinone compound having two quinone groups in the ortho-positional relationship, particularly a phenanthrenequinone compound. Specifically, it is described that the phenanthrenequinone dimer exhibits two redox voltages (around 2.9 V and 2.5 V), and the initial discharge capacity reaches 200 Ah / kg.

また、特許文献5には、重水素化など標識化した炭酸エステル化合物を含む電解液が開示されており、電池内部の反応や作動メカニズムの解析に利用できることが示されている。さらに、特許文献6には、ニュートリノによって重水素化イオンを生成し、電池の電力を上昇させる方法が示されている。   Further, Patent Document 5 discloses an electrolytic solution containing a labeled carbonate compound such as deuteration, and it is shown that it can be used for analysis of the reaction and operation mechanism inside the battery. Further, Patent Document 6 discloses a method for generating deuterated ions by neutrino and increasing the power of the battery.

特開2004−207249号公報JP 2004-207249 A 米国特許第4833048号公報U.S. Pat. No. 4,833,048 特開2008−147015号公報JP 2008-147015 A 特開2008−222559号公報JP 2008-222559 A 特開2007−084469号公報JP 2007-084469 A 特開2007−157674号公報JP 2007-157664 A

J.Electrochem.Soc.,Vol136,p.661−664(1989)J. et al. Electrochem. Soc. Vol 136, p. 661-664 (1989)

しかしながら、上述した特許文献1〜4及び非特許文献1では、ニトロキシルラジカル化合物等の有機ラジカル化合物やジスルフィド化合物、ルベアン酸化合物、フェナントレンキノン化合物などの有機化合物を電極活物質に使用しているものの、通常の電解質溶媒では安定性が十分ではなく、充放電サイクルを繰り返すと容量が低下するという問題点がある。   However, in Patent Documents 1 to 4 and Non-Patent Document 1 described above, organic radical compounds such as nitroxyl radical compounds and organic compounds such as disulfide compounds, rubeanic acid compounds, and phenanthrenequinone compounds are used as electrode active materials. However, there is a problem that the stability is not sufficient with a normal electrolyte solvent, and the capacity decreases when the charge / discharge cycle is repeated.

一方、特許文献5では、重水素化した炭酸エステルを使用しているが、活物質についての記載は認められない。また、特許文献6には、重水素による電力上昇が記載されているが、充放電反応の機構が通常の化学電池とは異なっている。   On the other hand, in Patent Document 5, deuterated carbonate is used, but no description of the active material is recognized. Patent Document 6 describes an increase in power due to deuterium, but the charge / discharge reaction mechanism is different from that of an ordinary chemical battery.

このように従来では、有機ラジカル化合物やジスルフィド化合物、ルベアン酸、キノンなどの有機化合物を電極活物質に使用して高容量密度電池の可能性が提案されているが、充放電サイクルに対する安定性が不十分であり、未だ高エネルギー密度でサイクル特性が良好な二次電池が実現できていないのが現状である。   Thus, conventionally, the possibility of high capacity density batteries using organic compounds such as organic radical compounds, disulfide compounds, rubeanic acid, and quinones as electrode active materials has been proposed. At present, secondary batteries that are insufficient and have high energy density and good cycle characteristics have not been realized.

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであって、エネルギー密度が高く、高出力であって、充放電を繰り返しても容量低下が少ないサイクル特性の良好な非水電解液二次電池を提供することを課題とする。   The present invention has been made in view of the above circumstances, and is a non-aqueous electrolyte secondary battery having high energy density, high output, and good cycle characteristics with little capacity decrease even after repeated charge and discharge. The issue is to provide.

本発明は、以下の構成を備える。
請求項1に係る発明は、電極活物質を含む正極と、負極と、を有し、前記電極活物質の電極反応によって充放電する非水電解液二次電池であって、
前記電極活物質が、水素原子の安定同位体である重水素を天然存在比よりも高濃度に含む重水素化合物であることを特徴とする非水電解液二次電池である。
The present invention has the following configuration.
The invention according to claim 1 is a non-aqueous electrolyte secondary battery having a positive electrode containing an electrode active material and a negative electrode, and charging and discharging by an electrode reaction of the electrode active material,
In the non-aqueous electrolyte secondary battery, the electrode active material is a deuterium compound containing deuterium, which is a stable isotope of a hydrogen atom, at a concentration higher than the natural abundance ratio.

請求項2に係る発明は、前記重水素化物が、有機化合物であることを特徴とする請求項1に記載の非水電解液二次電池である。   The invention according to claim 2 is the nonaqueous electrolyte secondary battery according to claim 1, wherein the deuteride is an organic compound.

請求項3に係る発明は、前記電極活物質の電極反応における反応出発物、生成物及び中間生成物のうちのいずれかに、前記重水素化合物を含むことを特徴とする請求項1又は2に記載の非水電解液二次電池である。   The invention according to claim 3 is characterized in that the deuterium compound is contained in any of reaction starting materials, products and intermediate products in the electrode reaction of the electrode active material. It is a nonaqueous electrolyte secondary battery of description.

請求項4に係る発明は、前記有機化合物が、中性のラジカル化合物、ルベアン酸構造を有する化合物及び共役ジアミン構造を有する化合物のうちの少なくとも1種であることを特徴とする請求項2又は3に記載の非水電解液二次電池である。   The invention according to claim 4 is characterized in that the organic compound is at least one of a neutral radical compound, a compound having a rubeanic acid structure, and a compound having a conjugated diamine structure. It is a non-aqueous electrolyte secondary battery as described in above.

請求項5に係る発明は、前記中性のラジカル化合物が、ニトロキシルラジカル系安定ラジカル化合物であることを特徴とする請求項4に記載の非水電解液二次電池である。   The invention according to claim 5 is the non-aqueous electrolyte secondary battery according to claim 4, wherein the neutral radical compound is a nitroxyl radical-based stable radical compound.

請求項6に係る発明は、前記ルベアン酸構造を有する化合物が、下記の一般式(1)で表されることを特徴とする請求項4に記載の非水電解液二次電池である。

Figure 0006175703
なお、上記一般式(1)において、R及びRは、置換または非置換のイミノ基、置換または非置換のアルキレン基、もしくは置換または非置換のアリーレン基である。式中nは、1〜100の整数、好ましくは1〜20の整数である。 The invention according to claim 6 is the non-aqueous electrolyte secondary battery according to claim 4, wherein the compound having a rubeanic acid structure is represented by the following general formula (1).
Figure 0006175703
In the general formula (1), R 1 and R 2 are a substituted or unsubstituted imino group, a substituted or unsubstituted alkylene group, or a substituted or unsubstituted arylene group. In the formula, n is an integer of 1 to 100, preferably an integer of 1 to 20.

請求項7に係る発明は、前記共役ジアミン構造を有する化合物が、下記の一般式(2)で表されることを特徴とする請求項4に記載の非水電解液二次電池である。

Figure 0006175703
なお、上記一般式(2)において、R及びRは、置換または非置換のアルキル基、置換または非置換のアルキレン基、置換または非置換のアリーレン基、置換または非置換のカルボニル基、置換または非置換のアシル基、置換または非置換のアルコキシカルボニル基、置換または非置換のエステル基、置換または非置換のエーテル基、置換または非置換のチオエーテル基、置換または非置換のアミン基、置換または非置換のアミド基、置換または非置換のスルホン基、置換または非置換のチオスルホニル基、置換または非置換のスルホンアミド基、置換または非置換のイミン基、置換または非置換のアゾ基、もしくはこれらの1以上の組み合わせからなる連結基である。
また、上記一般式(2)において、X〜Xは、ハロゲン原子、ヒドロキシル基、ニトロ基、シアノ基、カルボキシル基、置換または非置換のアルキル基、置換または非置換のアルケニル基、置換または非置換のシクロアルキル基、置換または非置換の芳香族炭化水素基、置換または非置換の芳香族複素環基、置換または非置換のアラルキル基、置換または非置換のアミノ基、置換または非置換のアルコキシ基、置換または非置換のアリールオキシ基、置換または非置換のアルコキシカルボニル基、置換または非置換のアリールオキシカルボニル基、置換または非置換のアシル基、もしくは置換または非置換のアシルオキシ基であり、これらの置換基は置換基同士で環構造を形成していてもよい。 The invention according to claim 7 is the non-aqueous electrolyte secondary battery according to claim 4, wherein the compound having the conjugated diamine structure is represented by the following general formula (2).
Figure 0006175703
In the general formula (2), R 3 and R 4 are a substituted or unsubstituted alkyl group, a substituted or unsubstituted alkylene group, a substituted or unsubstituted arylene group, a substituted or unsubstituted carbonyl group, a substituted Or unsubstituted acyl group, substituted or unsubstituted alkoxycarbonyl group, substituted or unsubstituted ester group, substituted or unsubstituted ether group, substituted or unsubstituted thioether group, substituted or unsubstituted amine group, substituted or Unsubstituted amide group, substituted or unsubstituted sulfone group, substituted or unsubstituted thiosulfonyl group, substituted or unsubstituted sulfonamido group, substituted or unsubstituted imine group, substituted or unsubstituted azo group, or these A linking group comprising a combination of one or more of the following.
In the general formula (2), X 1 to X 4 are each a halogen atom, a hydroxyl group, a nitro group, a cyano group, a carboxyl group, a substituted or unsubstituted alkyl group, a substituted or unsubstituted alkenyl group, substituted or Unsubstituted cycloalkyl group, substituted or unsubstituted aromatic hydrocarbon group, substituted or unsubstituted aromatic heterocyclic group, substituted or unsubstituted aralkyl group, substituted or unsubstituted amino group, substituted or unsubstituted An alkoxy group, a substituted or unsubstituted aryloxy group, a substituted or unsubstituted alkoxycarbonyl group, a substituted or unsubstituted aryloxycarbonyl group, a substituted or unsubstituted acyl group, or a substituted or unsubstituted acyloxy group; These substituents may form a ring structure with the substituents.

本発明の非水電解液二次電池は、水素原子の安定同位体である重水素を天然存在比よりも高濃度に含む重水素化合物を電極活物質として使用するため、電極活物質の電極反応の際の副反応を抑制することができる。これにより、エネルギー密度が高く、高出力であって、充放電を繰り返しても容量低下が少ないサイクル特性が良好かつ安定性に優れた非水電解液二次電池を提供することができる。   The non-aqueous electrolyte secondary battery of the present invention uses a deuterium compound containing deuterium, which is a stable isotope of hydrogen atoms, in a concentration higher than the natural abundance ratio as an electrode active material. The side reaction at the time can be suppressed. As a result, it is possible to provide a non-aqueous electrolyte secondary battery that has high energy density, high output, good cycle characteristics with little reduction in capacity even after repeated charge and discharge, and excellent stability.

図1は、本発明を適用した一実施形態であるリチウム二次電池の一例を示す断面図である。FIG. 1 is a cross-sectional view showing an example of a lithium secondary battery according to an embodiment to which the present invention is applied. 図2は、GC−MS分析結果を示す図であり、(A)はルベアン酸の結果を、(B)は重水素化ルベアン酸の結果をそれぞれ示す図である。FIG. 2 is a diagram showing the results of GC-MS analysis, (A) shows the results for rubeanic acid, and (B) shows the results for deuterated rubeanic acid. 図3は、実施例1の二次電池を充放電した結果を示す図である。FIG. 3 is a diagram showing a result of charging and discharging the secondary battery of Example 1. 図4は、比較例1の二次電池を充放電した結果を示す図である。FIG. 4 is a diagram showing a result of charging and discharging the secondary battery of Comparative Example 1. 図5は、実施例4の二次電池を充放電した結果を示す図である。FIG. 5 is a diagram showing the result of charging and discharging the secondary battery of Example 4. 図6は、EI―MS測定結果を示す図であり、(A)は5,10−ジヒドロ−5,10−ジメチルフェナジンの結果を、(B)は重水素化5,10−ジヒドロ−5,10−ジメチルフェナジンの結果をそれぞれ示す図である。FIG. 6 is a diagram showing the results of EI-MS measurement. (A) shows the results of 5,10-dihydro-5,10-dimethylphenazine, (B) shows deuterated 5,10-dihydro-5, It is a figure which shows the result of 10-dimethylphenazine, respectively.

以下、本発明を適用した一実施形態であるリチウム二次電池について、それに用いる電極活物質とあわせて、図面を用いて詳細に説明する。
なお、以下の説明で用いる図面は、特徴をわかりやすくするために、便宜上特徴となる部分を拡大して示している場合があり、各構成要素の寸法比率などが実際と同じであるとは限らない。
Hereinafter, a lithium secondary battery according to an embodiment to which the present invention is applied will be described in detail with reference to the drawings together with an electrode active material used therefor.
In addition, in the drawings used in the following description, in order to make the features easy to understand, there are cases where the portions that become the features are enlarged for the sake of convenience, and the dimensional ratios of the respective components are not always the same as the actual ones. Absent.

先ず、本発明の一実施形態であるリチウム二次電池の構成について説明する。
図1は、本発明を適用した一実施形態であるリチウム二次電池の一例を示す断面図である。図1に示すように、本実施形態のリチウム二次電池(非水電解液二次電池)1は、正極ケース2と負極ケース3とを有している。この正極ケース2及び負極ケース3は、いずれも円盤状の薄板形状に形成されており、コイン型のリチウム二次電池を構成している。
First, the configuration of a lithium secondary battery which is an embodiment of the present invention will be described.
FIG. 1 is a cross-sectional view showing an example of a lithium secondary battery according to an embodiment to which the present invention is applied. As shown in FIG. 1, a lithium secondary battery (nonaqueous electrolyte secondary battery) 1 according to the present embodiment includes a positive electrode case 2 and a negative electrode case 3. Both the positive electrode case 2 and the negative electrode case 3 are formed in a disk-like thin plate shape, and constitute a coin-type lithium secondary battery.

正極ケース2は、正極集電体を構成しており、その底部中央には、電極活物質をシート状に成型した正極4が配設されている。この正極4上には、微多孔膜、織布、不織布等の多孔性のシート又はフィルムで形成されたセパレータ5が積層されている。さらに、セパレータ5上には、負極6が積層されている。   The positive electrode case 2 constitutes a positive electrode current collector, and a positive electrode 4 in which an electrode active material is molded into a sheet shape is disposed at the center of the bottom. On the positive electrode 4, a separator 5 formed of a porous sheet or film such as a microporous film, a woven fabric, or a nonwoven fabric is laminated. Further, a negative electrode 6 is laminated on the separator 5.

負極6としては、例えば、銅箔にリチウムの金属箔を重ね合わせたものや、黒鉛やハードカーボン等のリチウム吸蔵材料を銅箔に塗布したものを使用することができる。この負極6上には、金属からなる負極集電体7が積層されている。さらに、負極集電体7上には、金属製のばね8が載置されている。   As the negative electrode 6, for example, a copper foil laminated with a lithium metal foil or a lithium foil occlusion material such as graphite or hard carbon applied to the copper foil can be used. On the negative electrode 6, a negative electrode current collector 7 made of metal is laminated. Further, a metal spring 8 is placed on the negative electrode current collector 7.

負極ケース3は、金属製のばね8の付勢力に抗して正極ケース2に固着されている。そして、正極ケース2と負極ケース3とが固着されることによって形成された内部空間には、正極4、セパレータ5、負極6及び負極集電体7が積層されて載置されるとともに、電解質9が充填されている。また、この内部空間を形成する正極ケース2と負極ケース3との間隙は、ガスケット10を介して封止されている。   The negative electrode case 3 is fixed to the positive electrode case 2 against the urging force of the metal spring 8. A positive electrode 4, a separator 5, a negative electrode 6, and a negative electrode current collector 7 are stacked and placed in an internal space formed by fixing the positive electrode case 2 and the negative electrode case 3 together with an electrolyte 9. Is filled. Further, the gap between the positive electrode case 2 and the negative electrode case 3 forming the internal space is sealed with a gasket 10.

すなわち、本実施形態のリチウム二次電池1は、電極活物質を含む正極4と負極6とを有しており、電極活物質の電極反応によって充放電する非水電解液二次電池である。そして、本実施形態のリチウム二次電池1は、上記電極活物質が、水素原子の安定同位体である重水素を天然存在比よりも高濃度に含む重水素化合物であることを特徴としている。   That is, the lithium secondary battery 1 of the present embodiment is a non-aqueous electrolyte secondary battery that has a positive electrode 4 and a negative electrode 6 including an electrode active material, and is charged and discharged by an electrode reaction of the electrode active material. The lithium secondary battery 1 of the present embodiment is characterized in that the electrode active material is a deuterium compound containing deuterium, which is a stable isotope of hydrogen atoms, at a higher concentration than the natural abundance ratio.

ここで、重水素化合物とは、分子中の水素(H)の一部又は全部が重水素(H)化した化合物である。この重水素化合物は、天然の状態でも一定割合存在している。本実施形態では、重水素を天然存在比(0.015%)よりも高濃度に含む重水素化合物を電極活物質として利用する。より具体的には、重水素化合物の分子中の重水素化率が、1%以上であることが好ましく、10%以上であることがより好ましく、90%以上であることがさらに好ましい。 Here, the deuterium compound is a compound in which part or all of hydrogen (H) in the molecule is deuterium ( 2 H). This deuterium compound is present in a certain ratio even in the natural state. In this embodiment, a deuterium compound containing deuterium at a concentration higher than the natural abundance ratio (0.015%) is used as the electrode active material. More specifically, the deuteration rate in the molecule of the deuterium compound is preferably 1% or more, more preferably 10% or more, and further preferably 90% or more.

このように、電極活物質が重水素化合物を含むことにより、電極活物質の充放電反応の過程で生じる副反応を抑制することができるため、安定性に優れたリチウム二次電池1が得られる。なお、本実施形態のリチウム二次電池1では、電極活物質は特に限定されるものではないが、このような効果は、電極活物質が有機化合物である場合に特に顕著である。一方、電極活物質として、例えば、リチウム酸化物を用いたリチウムイオン二次電池であっても、電極活物質が重水素化合物であれば、高温時や過充電時には副反応を抑制する効果を発揮することができる。   As described above, since the electrode active material contains a deuterium compound, side reactions occurring in the process of charge / discharge reaction of the electrode active material can be suppressed, so that the lithium secondary battery 1 having excellent stability can be obtained. . In the lithium secondary battery 1 of the present embodiment, the electrode active material is not particularly limited, but such an effect is particularly remarkable when the electrode active material is an organic compound. On the other hand, even if the electrode active material is, for example, a lithium ion secondary battery using lithium oxide, if the electrode active material is a deuterium compound, it exerts the effect of suppressing side reactions at high temperatures and overcharge. can do.

また、二次電池の電極活物質は、充放電により可逆的に酸化もしくは還元されるため、充電状態、放電状態、あるいはその途中の状態で異なる構造、状態を取ることが知られている。したがって、本実施形態では、電極活物質は、少なくとも放電反応における反応出発物(電池電極反応で化学反応を起こす物質)、生成物(化学反応の結果生じる物質)、及び中間生成物のうちのいずれかに含まれていればよい。   Moreover, since the electrode active material of a secondary battery is reversibly oxidized or reduced by charging / discharging, it is known to take a different structure and state depending on a charged state, a discharged state, or an intermediate state. Therefore, in the present embodiment, the electrode active material is any one of at least a reaction starting material in the discharge reaction (a material that causes a chemical reaction in the battery electrode reaction), a product (a material generated as a result of the chemical reaction), and an intermediate product. As long as it is included.

上述のように、本実施形態のリチウム二次電池1では、電極活物質が重水素化された有機化合物であることが好ましい。また、有機化合物としては、特に限定されるものではないが、中性のラジカル化合物、ルベアン酸構造を有する化合物及び共役ジアミン構造を有する化合物のうちの少なくとも1種であることが好ましい。
以下に、電極活物質に好適に用いられる有機化合物の具体的な化合物を例示するが、これらに限定されるものではない。
As described above, in the lithium secondary battery 1 of the present embodiment, the electrode active material is preferably a deuterated organic compound. The organic compound is not particularly limited, but is preferably at least one of a neutral radical compound, a compound having a rubeanic acid structure, and a compound having a conjugated diamine structure.
Specific examples of organic compounds that can be suitably used for the electrode active material are illustrated below, but are not limited thereto.

中性の安定ラジカル化合物としては、ニトロキシルラジカル化合物、ニトロニルニトロキシルラジカル化合物、フェルダジルラジカル化合物、チオアミニルラジカル化合物などを用いることができる。このうち、充放電の安定性から、ニトロキシルラジカル化合物が特に好ましい。   As the neutral stable radical compound, a nitroxyl radical compound, a nitronyl nitroxyl radical compound, a ferdazyl radical compound, a thioaminyl radical compound, or the like can be used. Among these, a nitroxyl radical compound is particularly preferable from the viewpoint of charge / discharge stability.

ニトロキシルラジカル化合物としては、例えば、以下の化学式(3)〜(8)で表わされる化合物が挙げられる。なお、化学式(3)〜(8)中の水素は、一部又は全部が重水素化されている。また、化学式(3)〜(7)中において、nは、1〜100の整数、好ましくは1〜20の整数である。さらに、化学式(8)中において、Rは、置換または非置換のアルキル基、置換または非置換のアルキレン基、置換または非置換のアリーレン基、置換または非置換のカルボニル基、置換または非置換のアシル基、置換または非置換のアルコキシカルボニル基、置換または非置換のエステル基、置換または非置換のエーテル基、置換または非置換のチオエーテル基、置換または非置換のアミン基、置換または非置換のアミド基、置換または非置換のスルホン基、置換または非置換のチオスルホニル基、置換または非置換のスルホンアミド基、置換または非置換のイミン基、置換または非置換のアゾ基、もしくはこれらの1以上の組み合わせからなる連結基である。 Examples of the nitroxyl radical compound include compounds represented by the following chemical formulas (3) to (8). Note that some or all of the hydrogen in the chemical formulas (3) to (8) is deuterated. Moreover, in chemical formula (3)-(7), n is an integer of 1-100, Preferably it is an integer of 1-20. Further, in the chemical formula (8), R 5 represents a substituted or unsubstituted alkyl group, a substituted or unsubstituted alkylene group, a substituted or unsubstituted arylene group, a substituted or unsubstituted carbonyl group, a substituted or unsubstituted group. Acyl group, substituted or unsubstituted alkoxycarbonyl group, substituted or unsubstituted ester group, substituted or unsubstituted ether group, substituted or unsubstituted thioether group, substituted or unsubstituted amine group, substituted or unsubstituted amide A group, a substituted or unsubstituted sulfone group, a substituted or unsubstituted thiosulfonyl group, a substituted or unsubstituted sulfonamido group, a substituted or unsubstituted imine group, a substituted or unsubstituted azo group, or one or more thereof A linking group consisting of a combination.

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ルベアン酸構造を有する化合物は、下記の一般式(1)で表される。

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なお、上記一般式(1)において、R及びRは、置換または非置換のイミノ基、置換または非置換のアルキレン基、もしくは置換または非置換のアリーレン基である。式中nは、1〜100の整数、好ましくは1〜20の整数である。 The compound having a rubeanic acid structure is represented by the following general formula (1).
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In the general formula (1), R 1 and R 2 are a substituted or unsubstituted imino group, a substituted or unsubstituted alkylene group, or a substituted or unsubstituted arylene group. In the formula, n is an integer of 1 to 100, preferably an integer of 1 to 20.

ルベアン酸構造を有する化合物としては、例えば、以下の化学式(9)〜(18)で表わされる化合物が挙げられる。なお、化学式(9)〜(18)中の水素は、一部又は全部が重水素化されている。また、化学式(10)〜(18)中において、nは、1〜100の整数、好ましくは1〜20の整数である。   Examples of the compound having a rubeanic acid structure include compounds represented by the following chemical formulas (9) to (18). In addition, some or all of the hydrogen in the chemical formulas (9) to (18) is deuterated. Moreover, in chemical formula (10)-(18), n is an integer of 1-100, Preferably it is an integer of 1-20.

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共役ジアミン構造を有する化合物は、下記の一般式(2)で表される。

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The compound having a conjugated diamine structure is represented by the following general formula (2).
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なお、上記一般式(2)において、R及びRは、置換または非置換のアルキル基、置換または非置換のアルキレン基、置換または非置換のアリーレン基、置換または非置換のカルボニル基、置換または非置換のアシル基、置換または非置換のアルコキシカルボニル基、置換または非置換のエステル基、置換または非置換のエーテル基、置換または非置換のチオエーテル基、置換または非置換のアミン基、置換または非置換のアミド基、置換または非置換のスルホン基、置換または非置換のチオスルホニル基、置換または非置換のスルホンアミド基、置換または非置換のイミン基、置換または非置換のアゾ基、もしくはこれらの1以上の組み合わせからなる連結基である。 In the general formula (2), R 3 and R 4 are a substituted or unsubstituted alkyl group, a substituted or unsubstituted alkylene group, a substituted or unsubstituted arylene group, a substituted or unsubstituted carbonyl group, a substituted Or unsubstituted acyl group, substituted or unsubstituted alkoxycarbonyl group, substituted or unsubstituted ester group, substituted or unsubstituted ether group, substituted or unsubstituted thioether group, substituted or unsubstituted amine group, substituted or Unsubstituted amide group, substituted or unsubstituted sulfone group, substituted or unsubstituted thiosulfonyl group, substituted or unsubstituted sulfonamido group, substituted or unsubstituted imine group, substituted or unsubstituted azo group, or these A linking group comprising a combination of one or more of the following.

また、上記一般式(2)において、X〜Xは、ハロゲン原子、ヒドロキシル基、ニトロ基、シアノ基、カルボキシル基、置換または非置換のアルキル基、置換または非置換のアルケニル基、置換または非置換のシクロアルキル基、置換または非置換の芳香族炭化水素基、置換または非置換の芳香族複素環基、置換または非置換のアラルキル基、置換または非置換のアミノ基、置換または非置換のアルコキシ基、置換または非置換のアリールオキシ基、置換または非置換のアルコキシカルボニル基、置換または非置換のアリールオキシカルボニル基、置換または非置換のアシル基、もしくは置換または非置換のアシルオキシ基であり、これらの置換基は置換基同士で環構造を形成していてもよい。 In the general formula (2), X 1 to X 4 are each a halogen atom, a hydroxyl group, a nitro group, a cyano group, a carboxyl group, a substituted or unsubstituted alkyl group, a substituted or unsubstituted alkenyl group, substituted or Unsubstituted cycloalkyl group, substituted or unsubstituted aromatic hydrocarbon group, substituted or unsubstituted aromatic heterocyclic group, substituted or unsubstituted aralkyl group, substituted or unsubstituted amino group, substituted or unsubstituted An alkoxy group, a substituted or unsubstituted aryloxy group, a substituted or unsubstituted alkoxycarbonyl group, a substituted or unsubstituted aryloxycarbonyl group, a substituted or unsubstituted acyl group, or a substituted or unsubstituted acyloxy group; These substituents may form a ring structure with the substituents.

共役ジアミン構造を有する化合物としては、例えば、以下の化学式(19)〜(27)で表わされる化合物が挙げられる。なお、化学式(19)〜(27)中の水素は、一部又は全部が重水素化されている。また、化学式(23)〜(26)中において、nは、1〜100の整数、好ましくは1〜20の整数である。   Examples of the compound having a conjugated diamine structure include compounds represented by the following chemical formulas (19) to (27). Note that part or all of the hydrogen in the chemical formulas (19) to (27) is deuterated. Moreover, in chemical formula (23)-(26), n is an integer of 1-100, Preferably it is an integer of 1-20.

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なお、本実施形態のリチウム二次電池1では、電極活物質である重水素化物の製造方法は、特に限定されるものではなく、重質量数化合物の製造方法として一般的な方法、例えば、ビルディングブロックとなる重質量数化合物を組み合わせ製造する方法や、酸、塩基、または金属などの触媒存在下で所定元素を安定同位体元素と交換させる方法を用いることができる。   In the lithium secondary battery 1 of the present embodiment, the method for producing a deuteride that is an electrode active material is not particularly limited, and a common method as a method for producing a heavy mass compound, for example, a building A method of producing a combination of heavy mass compounds to be blocks, or a method of exchanging a predetermined element with a stable isotope element in the presence of a catalyst such as an acid, a base, or a metal can be used.

次に、本実施形態のリチウム二次電池1の製造方法について説明する。
まず、上述した電極活物質を電極形状に形成する。例えば、電極活物質を導電補助剤、及び結着剤と共に混合し、有機溶剤を加えてスラリーとし、該スラリーを正極集電体(正極ケース2)上に任意の塗工方法で塗工し、乾燥することにより正極4を形成する。
Next, the manufacturing method of the lithium secondary battery 1 of this embodiment is demonstrated.
First, the electrode active material described above is formed into an electrode shape. For example, an electrode active material is mixed with a conductive additive and a binder, an organic solvent is added to form a slurry, and the slurry is applied on the positive electrode current collector (positive electrode case 2) by an arbitrary coating method. The positive electrode 4 is formed by drying.

ここで、導電補助剤としては、特に限定されるものでなく、例えば、グラファイト、カーボンブラック、アセチレンブラック等の炭素質微粒子、気相成長炭素繊維(VGCF)、カーボンナノチューブ、カーボンナノホーン等の炭素繊維、ポリアニリン、ポリピロール、ポリチオフェン、ポリアセチレン、ポリアセン等の導電性高分子などを使用することができる。また、導電補助剤を2種類以上混合して用いることもできる。尚、導電補助剤の正極4中の含有率としては、10〜80質量%とすることが望ましい。   Here, the conductive auxiliary agent is not particularly limited, and examples thereof include carbonaceous fine particles such as graphite, carbon black, and acetylene black, carbon fibers such as vapor grown carbon fiber (VGCF), carbon nanotube, and carbon nanohorn. , Conductive polymers such as polyaniline, polypyrrole, polythiophene, polyacetylene, and polyacene can be used. Further, two or more kinds of conductive assistants can be mixed and used. In addition, as a content rate in the positive electrode 4 of a conductive support agent, it is desirable to set it as 10-80 mass%.

また、結着剤も特に限定されるものではなく、ポリエチレン、ポリフッ化ビニリデン、ポリヘキサフルオロプロピレン、ポリテトラフルオロエチレン、ポリエチレンオキサイド、カルボキシメチルセルロース等の各種樹脂を使用することができる。   Further, the binder is not particularly limited, and various resins such as polyethylene, polyvinylidene fluoride, polyhexafluoropropylene, polytetrafluoroethylene, polyethylene oxide, carboxymethylcellulose, and the like can be used.

さらに、スラリーを構成する有機溶剤についても、特に限定されるものではなく、例えば、ジメチルスルホキシド、ジメチルホルムアミド、N−メチルピロリドン、プロピレンカーボネート、ジエチルカーボネート、ジメチルカーボネート、γ−ブチロラクトン、アセトニトリル、テトラヒドロフラン、ニトロベンゼン、アセトン等の非プロトン溶媒、メタノール、エタノール等のプロトン性溶媒等を使用することができる。   Further, the organic solvent constituting the slurry is not particularly limited, and examples thereof include dimethyl sulfoxide, dimethylformamide, N-methylpyrrolidone, propylene carbonate, diethyl carbonate, dimethyl carbonate, γ-butyrolactone, acetonitrile, tetrahydrofuran, and nitrobenzene. An aprotic solvent such as acetone or a protic solvent such as methanol or ethanol can be used.

次いで、この正極4に電解質9を含浸させて該正極4に染み込ませ、その後、正極ケース2の底部中央の正極集電体上に正極4を載置する。次いで、前記電解質9を含浸させたセパレータ5を正極4上に積層し、さらに負極6及び負極集電体7を順次積層し、その後内部空間に電解質9を注入する。そして、負極集電体9上に金属製のばね8を載置すると共に、ガスケット10を周縁に配し、かしめ機等で負極ケース3を正極ケース2に固着して外装封止する。以上の工程におって、図1に示すコイン型のイオン二次電池1が作製される。   Next, the positive electrode 4 is impregnated with the electrolyte 9 so as to penetrate the positive electrode 4, and then the positive electrode 4 is placed on the positive electrode current collector at the center of the bottom of the positive electrode case 2. Next, the separator 5 impregnated with the electrolyte 9 is laminated on the positive electrode 4, the negative electrode 6 and the negative electrode current collector 7 are sequentially laminated, and then the electrolyte 9 is injected into the internal space. Then, a metal spring 8 is placed on the negative electrode current collector 9, and a gasket 10 is arranged on the periphery, and the negative electrode case 3 is fixed to the positive electrode case 2 with a caulking machine or the like and externally sealed. Through the above steps, the coin-type ion secondary battery 1 shown in FIG. 1 is manufactured.

ここで、電解質9は、正極(電極活物質)4と対向電極である負極6との間に介在して両電極間の荷電担体輸送を行う。このような電解質9としては、室温で10−5〜10−1S/cmのイオン伝導度を有するものを使用することができ、例えば、電解質塩を有機溶剤に溶解させた電解液を使用することができる。 Here, the electrolyte 9 is interposed between the positive electrode (electrode active material) 4 and the negative electrode 6 that is a counter electrode, and transports charge carriers between the two electrodes. As such an electrolyte 9, what has the ion conductivity of 10 <-5 > -10 < -1 > S / cm at room temperature can be used, For example, the electrolyte solution which dissolved electrolyte salt in the organic solvent is used. be able to.

ここで、電解質塩としては、例えば、LiPF、LiClO、LiBF、LiCFSO、LiN(CFSO、LiN(CSO、LiC(CFSO、LiC(CSO3m等を使用することができる。 Here, as the electrolyte salt, for example, LiPF 6 , LiClO 4 , LiBF 4 , LiCF 3 SO 3 , LiN (CF 3 SO 2 ) 2 , LiN (C 2 F 5 SO 2 ) 2 , LiC (CF 3 SO 2 ) 3 , LiC (C 2 F 5 SO 2 ) 3m, or the like can be used.

また、有機溶剤としては、エチレンカーボネート、プロピレンカーボネート、ジメチルカーボネート、ジエチルカーボネート、メチルエチルカーボネート、γ一ブチロラクトン、テトラヒドロフラン、ジオキソラン、スルホラン、ジメチルホルムアミド、ジメチルアセトアミド、N−メチル−2−ピロリドン等を使用することができる。   As the organic solvent, ethylene carbonate, propylene carbonate, dimethyl carbonate, diethyl carbonate, methyl ethyl carbonate, γ-butyrolactone, tetrahydrofuran, dioxolane, sulfolane, dimethylformamide, dimethylacetamide, N-methyl-2-pyrrolidone, etc. are used. be able to.

尚、本実施形態では、電解質塩を有機溶剤に溶解させた電解液に代えて、電解質塩を重水素化溶媒に溶解もしくは相溶させた電解液を電解質9として使用してもよい。   In this embodiment, instead of the electrolytic solution obtained by dissolving the electrolyte salt in the organic solvent, an electrolytic solution obtained by dissolving or dissolving the electrolyte salt in the deuterated solvent may be used as the electrolyte 9.

重水素化溶媒としては、分子中の水素(H)の一部又は全部が重水素(H)化した、例えば、エチレンカーボネート、プロピレンカーボネート、ジメチルカーボネート、ジエチルカーボネート、メチルエチルカーボネート、ジメトキシエタン、γ‐ブチロラクトン、テトラヒドロフラン、ジオキソラン、スルホラン、ジメチルスルホン、メチルエチルスルホン、メチルイソプロピルスルホン、エチルイソプロピルスルホン、ジメチルホルムアミド、ジメチルアセトアミド、1−メチル−2−ピロリドン等が挙げられる。これらの中でも、安定化効果の点から、特に、エチレンカーボネート、プロピレンカーボネート、ジメチルカーボネート、ジエチルカーボネート、メチルエチルカーボネートなどの炭酸エスエル、およびスルホラン、ジメチルスルホン、メチルエチルスルホン、メチルイソプロピルスルホン、エチルイソプロピルスルホンなどのスルホンが好ましい。 As the deuterated solvent, a part or all of hydrogen (H) in the molecule is deuterated ( 2 H), for example, ethylene carbonate, propylene carbonate, dimethyl carbonate, diethyl carbonate, methyl ethyl carbonate, dimethoxyethane, γ-butyrolactone, tetrahydrofuran, dioxolane, sulfolane, dimethylsulfone, methylethylsulfone, methylisopropylsulfone, ethylisopropylsulfone, dimethylformamide, dimethylacetamide, 1-methyl-2-pyrrolidone and the like can be mentioned. Among these, from the viewpoint of stabilizing effect, in particular, carbonate carbonate such as ethylene carbonate, propylene carbonate, dimethyl carbonate, diethyl carbonate, methyl ethyl carbonate, and sulfolane, dimethyl sulfone, methyl ethyl sulfone, methyl isopropyl sulfone, ethyl isopropyl sulfone. Sulfones such as are preferred.

また、電解質9には、固体電解質やイオン性液体、グライムなどの対称グリコールジエーテル、鎖状スルホンなどを使用してもよい。固体電解質に用いられる高分子化合物としては、例えば、ポリフッ化ビニリデン、フッ化ビニリデン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体、フッ化ビニリデン−エチレン共重合体、フッ化ビニリデン−モノフルオロエチレン共重合体、フッ化ビニリデン−トリフルオロエチレン共重合体、フッ化ビニリデン−テトラフルオロエチレン共重合体、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三元共重合体等のフッ化ビニリデン系重合体、アクリロニトリル−メチルメタクリレート共重合体、アクリロニトリル−メチルアクリレート共重合体、アクリロニトリル−エチルメタクリレート共重合体、アクリロニトリル−エチルアタリレート共重合体、アクリロニトリル−メタクリル酸共重合体、アクリロニトリル−アクリル酸共重合体、アクリロニトリル−ビニルアセテート共重合体等のアクリルニトリル系重合体、さらには、ポリエチレンオキサイド、エチレンオキサイド−プロピレンオキサイド共重合体、及びこれらのアクリレート体やメタクリレート体の重合体等を挙げることができる。   The electrolyte 9 may be a solid electrolyte, an ionic liquid, a symmetric glycol diether such as glyme, a chain sulfone, or the like. Examples of the polymer compound used for the solid electrolyte include polyvinylidene fluoride, vinylidene fluoride-hexafluoropropylene copolymer, vinylidene fluoride-ethylene copolymer, vinylidene fluoride-monofluoroethylene copolymer, and fluoride. Vinylidene fluoride polymers such as vinylidene-trifluoroethylene copolymer, vinylidene fluoride-tetrafluoroethylene copolymer, vinylidene fluoride-hexafluoropropylene-tetrafluoroethylene terpolymer, and acrylonitrile-methyl methacrylate copolymer Polymer, acrylonitrile-methyl acrylate copolymer, acrylonitrile-ethyl methacrylate copolymer, acrylonitrile-ethyl acrylate copolymer, acrylonitrile-methacrylic acid copolymer, acrylonitrile-acrylic Acrylic nitrile polymers such as formic acid copolymers, acrylonitrile-vinyl acetate copolymers, and further, polyethylene oxide, ethylene oxide-propylene oxide copolymers, and polymers of these acrylates and methacrylates. be able to.

また、これらの高分子化合物に電解液を含ませてゲル状にしたものを電解質9として使用してもよいし、或いは、電解質塩を含有させた高分子化合物のみをそのまま電解質9に使用してもよい。   In addition, these polymer compounds containing an electrolytic solution in a gel form may be used as the electrolyte 9 or only a polymer compound containing an electrolyte salt may be used as it is for the electrolyte 9. Also good.

また、カチオンとアニオンとを組み合わせたイオン性液体に用いられる化合物としては、カチオンが2−エチルイミダゾリウム、3−プロピルイミダゾリウム、1−エチル−3−メチルイミダゾリウム、1−ブチル−3−メチルイミダゾリウム、1,3−ジメチルイミダゾリウム等のイミダゾリウム;ジエチルメチルアンモニウム、テトラブチルアンモニウム、シクロヘキシルトリメチルアンモニウム、メチルトリ−n−オクチルアンモニウム、トリエチル(2−メトキシエトキシメチル)アンモニウム、ベンジルジメチルテトラデシルアンモニウム、ベンジルトリメチルアンモニウム等のアンモニウム;その他にもアルキルピリジニウム、ジアルキルピロリジニウム、テトラアルキルフォスフォニウム、トリアルキルスルフォニウム等、アニオンがCl、Br、Iなどのハロゲン化物アニオン;BF 、B(CN) 、B(C 等のホウ素化物アニオン;(CN)、[N(CF、[N(SOCF等のアミドアニオン又はイミドアニオン;RSO (以下、Rは脂肪族炭化水素基又は芳香族炭化水素基を指す)、RSO 、RSO (以下、Rは含フッ素ハロゲン化炭化水素基を指す)、RSO 等のスルフェートアニオン又はスルフォネートアニオン;R P(O)O、PF 、R PF 等のリン酸アニオン;SbF等のアンチモンアニオン;その他、ラクテート、硝酸イオン、トリフルオロアセテート等からなるものが使用できる。 Moreover, as a compound used for the ionic liquid which combined the cation and the anion, the cation is 2-ethylimidazolium, 3-propylimidazolium, 1-ethyl-3-methylimidazolium, 1-butyl-3-methyl. Imidazolium such as imidazolium and 1,3-dimethylimidazolium; diethylmethylammonium, tetrabutylammonium, cyclohexyltrimethylammonium, methyltri-n-octylammonium, triethyl (2-methoxyethoxymethyl) ammonium, benzyldimethyltetradecylammonium, Ammonium such as benzyltrimethylammonium; other alkylpyridinium, dialkylpyrrolidinium, tetraalkylphosphonium, trialkylsulfonium, etc. ON Cl -, Br -, I - halide anion such as; BF 4 -, B (CN ) 4 -, B (C 2 O 4) 2 - boride such anions; (CN) 2 N -, [ Amide anion or imide anion such as N (CF 3 ) 2 ] and [N (SO 2 CF 3 ) 2 ] ; RSO 3 (hereinafter, R represents an aliphatic hydrocarbon group or an aromatic hydrocarbon group) , RSO 4 , R f SO 3 (hereinafter, R f represents a fluorinated halogenated hydrocarbon group), R f SO 4 — and the like, sulfate anion or sulfonate anion; R f 2 P (O) SbF 6 and antimony anion;; O -, PF 6 - -, R f 3 PF 3 and phosphate anions other, lactate, nitrate ions, is made of trifluoroacetate and the like can be used.

ルライム類としては、メチルトリグライム、エチルトリグライム、ブチルトリグライム、メチルテトラグライム、エチルテトラグライム、ブチルテトラグライムなどが使用できる。さらに、鎖状スルホンとしては、2−(エチルスルホニル)プロパン、2−(エチルスルホニル)ブタンなどが使用できる。   As the rulimes, methyltriglyme, ethyltriglyme, butyltriglyme, methyltetraglyme, ethyltetraglyme, butyltetraglyme and the like can be used. Furthermore, as the chain sulfone, 2- (ethylsulfonyl) propane, 2- (ethylsulfonyl) butane, or the like can be used.

ところで、従来から、有機化合物を電極活物質に使用することにより、高容量密度の二次電池の実現が期待されていた。しかしながら、有機化合物を電極活物質とした場合、充放電サイクル中に有機化合物が分解してしまう等、安定性が不十分であり、サイクル特性が良好な二次電池が実現できていなかった。   By the way, the realization of a secondary battery having a high capacity density has been conventionally expected by using an organic compound as an electrode active material. However, when an organic compound is used as an electrode active material, a secondary battery having insufficient stability and good cycle characteristics has not been realized, for example, the organic compound is decomposed during a charge / discharge cycle.

一般に、有機化合物の分解過程において、炭素、窒素等と水素との結合は、光、熱等の外部条件の変化によって開裂し、さらに生成した中間体から連鎖的に副反応が進行して分解することが知られている。一方、有機化合物の分子構造中の水素の一部又は全部を重水素に置き換えた化合物(すなわち、重水素化合物)は、炭素、窒素等との結合間力が強くなり、外的要因による結合開裂が抑制される。   In general, in the decomposition process of organic compounds, the bond between carbon, nitrogen, etc. and hydrogen is cleaved by a change in external conditions such as light and heat, and further, a side reaction proceeds and decomposes from the produced intermediate. It is known. On the other hand, a compound in which part or all of hydrogen in the molecular structure of an organic compound is replaced with deuterium (that is, deuterium compound) has stronger bond strength with carbon, nitrogen, etc., and bond cleavage due to external factors. Is suppressed.

そこで、本願発明者らは、重水素化合物を電極活物質として利用した場合に、電極反応においても分解や重合等の副反応が抑制されるという効果(重水素化の効果)を見出した。これにより、従来は容易に分解するために二次電池の電極材料として利用できなかった材料を、化合物としての安定性を向上させて、電極活物質として利用することができる。また、既に二次電池の電極材料として利用されている材料についても、充放電サイクルをより安定化させる(耐久性を向上させる)ことができる。なお、上記重水素化の効果は、電極活物質として有機化合物を用いる場合に、より顕著となる。   Accordingly, the present inventors have found an effect (deuteration effect) that side reactions such as decomposition and polymerization are suppressed even in an electrode reaction when a deuterium compound is used as an electrode active material. As a result, a material that could not be conventionally used as an electrode material for a secondary battery because it is easily decomposed can be used as an electrode active material with improved stability as a compound. Moreover, the charge / discharge cycle can be further stabilized (durability improved) for materials already used as the electrode material of the secondary battery. The deuteration effect becomes more prominent when an organic compound is used as the electrode active material.

以上説明したように、本実施形態のリチウム二次電池1によれば、水素原子の安定同位体である重水素を天然存在比よりも高濃度に含む重水素化合物を電極活物質として使用しているので、充放電時の電極活物質の分解等を抑制することができる。したがって、エネルギー密度が大きく、安定性に優れた非水電解液二次電池を得ることができる。   As described above, according to the lithium secondary battery 1 of the present embodiment, a deuterium compound containing deuterium, which is a stable isotope of a hydrogen atom, at a higher concentration than the natural abundance ratio is used as an electrode active material. Therefore, decomposition of the electrode active material during charging / discharging can be suppressed. Therefore, a non-aqueous electrolyte secondary battery having a large energy density and excellent stability can be obtained.

なお、本発明の技術範囲は上記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。例えば、上記実施形態の電極活物質の主体となる有機化合物についても、上記列挙した化学式はその一例であって、これらに限定されるものではない。すなわち、電極活物質が重質量化合物であれば、本発明の特徴は実現できると考えられるのでエネルギー密度が大きく、安定性に優れた二次電池を得ることが可能である。このような安定同位体元素としては、H、13C、15N、18Oなどが挙げられる。 The technical scope of the present invention is not limited to the above embodiment, and various modifications can be made without departing from the spirit of the present invention. For example, the above-described chemical formulas are also examples of the organic compounds that are the main components of the electrode active material of the above-described embodiment, and the present invention is not limited thereto. That is, if the electrode active material is a heavy mass compound, it is considered that the characteristics of the present invention can be realized, so that a secondary battery having a large energy density and excellent stability can be obtained. Examples of such stable isotope elements include 2 H, 13 C, 15 N, and 18 O.

また、上記実施形態では、コイン型のイオン二次電池について説明したが、電池形状は特に限定されるものでないのはいうまでもなく、円筒型、角型、シート型等にも適用できる。また、外装方法も特に限定されず、金属ケースや、モールド樹脂、アルミラミネートフイルム等を使用してもよい。   In the above embodiment, the coin-type ion secondary battery has been described. However, the battery shape is not particularly limited, and can be applied to a cylindrical type, a square type, a sheet type, and the like. Also, the exterior method is not particularly limited, and a metal case, mold resin, aluminum laminate film, or the like may be used.

さらに、上記実施形態では、本発明の電極活物質を正極活物質に使用したが、負極活物質に使用するのも有用である。   Furthermore, in the said embodiment, although the electrode active material of this invention was used for the positive electrode active material, it is also useful to use for a negative electrode active material.

以下に、具体例を示す。
(実施例1)
[有機化合物の合成]
下記式(28)に示す合成スキームに従って、重水素化ルベアン酸を合成した。

Figure 0006175703
A specific example is shown below.
Example 1
[Synthesis of organic compounds]
Deuterated rubeanic acid was synthesized according to the synthesis scheme shown in the following formula (28).
Figure 0006175703

具体的には、上記式(28)に示すように、ルベアン酸と重水、重水素化エタノールを80℃で加熱反応させ、得られた個体をろ過して重水素化ルベアン酸を得た。ここで、図2(A)にルベアン酸、図2(B)に重水素化ルベアン酸のGC―MS分析結果をそれぞれ示す。また、GC―MSで測定した重水素化ルベアン酸の重水素化率は、35atom%Dであった。   Specifically, as shown in the above formula (28), rubeanic acid, deuterated water and deuterated ethanol were heated and reacted at 80 ° C., and the resulting solid was filtered to obtain deuterated rubeanic acid. Here, FIG. 2 (A) shows rubeanic acid, and FIG. 2 (B) shows the GC-MS analysis results of deuterated rubeanic acid. Further, the deuteration rate of deuterated rubeanic acid measured by GC-MS was 35 atom% D.

[二次電池の作製]
上で合成した重水素化ルベアン酸300mg、グラファイト粉末600mg、ポリテトラフルオロエチレン樹脂バインダー100mgをそれぞれ測り取り、均一に混合しながら混練した。この混合体を加圧成型して、厚さ約150μmのシートを得た。これを真空中、70℃で1時間乾燥した後、直径12mmの円形に打ち抜き、ルベアン酸を含む正極を作製した。次に、この正極に1MのLiN(CSOを含むエチレンカーボネート、ジエチルカーボネートを体積比3:7の割合で混合した電解質を含浸させた。この電極を、正極集電体上に載置し、前記電解質を含浸させたポリプロピレン多孔質フィルムからなる、厚さ20μmのセパレータを積層し、さらに負極としてリチウムをステンレス製集電板に張り合わせたものを積層した。そして、集電体上に金属製のばねを載置すると共に、周縁をガスケットで覆われた負極側部材を重ね、かしめ機によって外装封止した。このようにして、正極活物質として重水素化ルベアン酸、負極活物質として金属リチウムを有する密閉型のコイン型二次電池を作製した。
[Production of secondary battery]
300 mg of deuterated rubeanic acid synthesized above, 600 mg of graphite powder, and 100 mg of polytetrafluoroethylene resin binder were weighed out and kneaded while mixing uniformly. This mixture was pressure-molded to obtain a sheet having a thickness of about 150 μm. This was dried in a vacuum at 70 ° C. for 1 hour, and then punched into a circle having a diameter of 12 mm to produce a positive electrode containing rubeanic acid. Next, this positive electrode was impregnated with an electrolyte in which ethylene carbonate and diethyl carbonate containing 1M LiN (C 2 F 5 SO 2 ) 2 were mixed at a volume ratio of 3: 7. This electrode is placed on a positive electrode current collector, a 20 μm thick separator made of a polypropylene porous film impregnated with the electrolyte is laminated, and lithium is bonded to a stainless steel current collector as a negative electrode Were laminated. Then, a metal spring was placed on the current collector, and the negative electrode side member whose periphery was covered with a gasket was stacked, and the exterior was sealed with a caulking machine. Thus, a sealed coin-type secondary battery having deuterated rubeanic acid as the positive electrode active material and metallic lithium as the negative electrode active material was produced.

[二次電池の動作確認]
作製したコイン型の二次電池を、0.1mAの定電流で電圧が4.0Vになるまで充電し、その後、0.1mAの定電流で1.5Vまで放電を行った。図3に、作製した二次電池を充放電した結果を示す。この二次電池は、2.4Vおよび2.0Vに電圧平坦部を有する放電容量0.6mAhの二次電池であることが確認された。
[Confirmation of secondary battery operation]
The manufactured coin-type secondary battery was charged with a constant current of 0.1 mA until the voltage reached 4.0 V, and then discharged to 1.5 V with a constant current of 0.1 mA. FIG. 3 shows the result of charging and discharging the produced secondary battery. This secondary battery was confirmed to be a secondary battery with a discharge capacity of 0.6 mAh having a voltage flat portion at 2.4 V and 2.0 V.

その後、さらに、4.0〜1.5Vの範囲で充放電を繰り返した。その結果、容量密度は20サイクル後においても活物質あたり初期の95%以上となり、充放電を繰り返しても容量低下が少ない長サイクル寿命の二次電池であることが確認された。   Thereafter, charging and discharging were further repeated in the range of 4.0 to 1.5V. As a result, the capacity density was 95% or more of the initial value per active material even after 20 cycles, and it was confirmed that the secondary battery had a long cycle life with little decrease in capacity even after repeated charge and discharge.

(比較例1)
[二次電池の作製]
電極活物質を重水素化ルベアン酸から通常のルベアン酸に変えた以外は、実施例1と同様の方法で、正極活物質としてルベアン酸、負極活物質として金属リチウムからなる密閉型のコイン型二次電池を作製した。
(Comparative Example 1)
[Production of secondary battery]
Except that the electrode active material was changed from deuterated rubeanic acid to normal rubeanic acid, the same method as in Example 1 was used, and a sealed coin-type coin made of rubeanic acid as the positive electrode active material and metallic lithium as the negative electrode active material was used. A secondary battery was produced.

[二次電池の動作確認]
作製したコイン型の二次電池を、0.1mAの定電流で電圧が4.0Vになるまで充電し、その後、0.1mAの定電流で1.5Vまで放電を行った。図4に、作製した二次電池を充放電した結果を示す。この二次電池は、2.3Vおよび2.0Vに電圧平坦部を有する放電容量0.6mAhの二次電池であることが確認された。
[Confirmation of secondary battery operation]
The manufactured coin-type secondary battery was charged with a constant current of 0.1 mA until the voltage reached 4.0 V, and then discharged to 1.5 V with a constant current of 0.1 mA. FIG. 4 shows the result of charging and discharging the produced secondary battery. This secondary battery was confirmed to be a secondary battery with a discharge capacity of 0.6 mAh having a flat voltage portion at 2.3 V and 2.0 V.

しかしながら、4.0〜1.5Vの範囲で充放電を繰り返したところ、20サイクル後の容量密度は活物質あたり初期の95%以下となり、サイクル劣化が大きい二次電池であることが確認された。   However, when charging / discharging was repeated in the range of 4.0 to 1.5 V, the capacity density after 20 cycles was 95% or less of the initial per active material, and it was confirmed that the secondary battery had large cycle deterioration. .

(実施例2)
[有機化合物の合成]
下記式(29)に示す合成スキームに従って、重水素化ルベアン酸と重水素化アジピン酸ジクロリドとの縮合物を合成した。

Figure 0006175703
(Example 2)
[Synthesis of organic compounds]
According to the synthesis scheme shown in the following formula (29), a condensate of deuterated rubeanic acid and deuterated adipic acid dichloride was synthesized.
Figure 0006175703

具体的には、上記式(29)に示すように、まず、重水素化ルベアン酸を、重水酸化ナトリウムを含む水溶液に溶解した。次いで、全体を0℃に冷却した後、激しく撹拌しながら重水素化アジピン酸ジクロリド水溶液を滴下した。撹拌を1時間続けて、重水素化ルベアン酸と重水素化アジピン酸ジクロリドとを反応させた。このようにして得られた固体を洗浄、乾燥して、淡褐色のルベアン酸とアジピン酸ジクロリドとの縮合物の重水素化物を得た。また、GC―MSで測定したルベアン酸とアジピン酸ジクロリドとの縮合物の重水素化物の重水素化率は、50atom%Dであった。   Specifically, as shown in the above formula (29), first, deuterated rubeanic acid was dissolved in an aqueous solution containing sodium deuteride. Subsequently, after cooling the whole to 0 degreeC, deuterated adipic acid dichloride aqueous solution was dripped, stirring vigorously. Stirring was continued for 1 hour to react deuterated rubeanic acid with deuterated adipic acid dichloride. The solid thus obtained was washed and dried to obtain a deuterated condensate of light brown rubeanic acid and adipic acid dichloride. Moreover, the deuteration rate of the deuterated product of the condensate of rubeanic acid and adipic acid dichloride measured by GC-MS was 50 atom% D.

[二次電池の作製]
電極活物質を、重水素化ルベアン酸からルベアン酸とアジピン酸ジクロリドとの縮合物の重水素化物を適用した以外は実施例1と同様の方法で正極活物質としてルベアン酸、負極活物質として金属リチウムからなる密閉型のコイン型二次電池を作製した。
[Production of secondary battery]
The electrode active material was rubeanic acid as the positive electrode active material and the metal as the negative electrode active material in the same manner as in Example 1 except that the deuterated product of deuterated rubeanic acid to the condensate of rubeanic acid and adipic acid dichloride was applied. A sealed coin-type secondary battery made of lithium was produced.

[二次電池の動作確認]
作製したコイン型の二次電池を、0.1mAの定電流で電圧が4.0Vになるまで充電し、その後、0.1mAの定電流で1.5Vまで放電を行った。その結果、この二次電池は、2.4Vおよび2.0Vに電圧平坦部を有する放電容量0.6mAhの二次電池であることが確認された。
[Confirmation of secondary battery operation]
The manufactured coin-type secondary battery was charged with a constant current of 0.1 mA until the voltage reached 4.0 V, and then discharged to 1.5 V with a constant current of 0.1 mA. As a result, it was confirmed that this secondary battery was a secondary battery with a discharge capacity of 0.6 mAh having voltage flat portions at 2.4 V and 2.0 V.

その後、4.0〜1.5Vの範囲で充放電を繰り返した。その結果、容量密度は20サイクル後においても活物質あたり初期の95%以上となり、充放電を繰り返しても容量低下が少ない長サイクル寿命の二次電池であることが確認された。   Thereafter, charging and discharging were repeated in the range of 4.0 to 1.5V. As a result, the capacity density was 95% or more of the initial value per active material even after 20 cycles, and it was confirmed that the secondary battery had a long cycle life with little decrease in capacity even after repeated charge and discharge.

(実施例3)
[有機化合物の合成]
下記式(30)に示す反応スキームに従って、重水素化ポリ(2,2,6,6−テトラメチルピペリジノキシメタクリレート)を合成した。なお、原料は、公知文献(特開2008−088117号公報)に従って合成した。また、市販の重水素化4−ヒドロキシ−2,2,6,6−テトラメチルピペリジン(アイソテック:製品番号なし)と重水素化メタクリル酸メチルとをエステル交換反応させて、重水素化2,2,6,6−テトラメチルピペリジンメタクリレートを得た。

Figure 0006175703
(Example 3)
[Synthesis of organic compounds]
Deuterated poly (2,2,6,6-tetramethylpiperidinoxymethacrylate) was synthesized according to the reaction scheme shown in the following formula (30). In addition, the raw material was synthesize | combined according to well-known literature (Unexamined-Japanese-Patent No. 2008-088117). In addition, a commercially available deuterated 4-hydroxy-2,2,6,6-tetramethylpiperidine (Isotech: no product number) and deuterated methyl methacrylate are transesterified to produce deuterated 2, 2,6,6-tetramethylpiperidine methacrylate was obtained.
Figure 0006175703

次に、下記式(31)に示す反応スキームに従って、重水素化2,2,6,6−テトラメチルピペリジンメタクリレートを重合反応し、酸化することで重水素化ポリ(2,2,6,6−テトラメチルピペリジノキシメタクリレート)を得た。また、GC―MSで測定した生成物の重水素化率は、80atom%Dであった。

Figure 0006175703
Next, according to the reaction scheme shown in the following formula (31), deuterated 2,2,6,6-tetramethylpiperidine methacrylate is polymerized and oxidized to produce deuterated poly (2,2,6,6). -Tetramethylpiperidinoxymethacrylate) was obtained. Moreover, the deuteration rate of the product measured by GC-MS was 80 atom% D.
Figure 0006175703

[二次電池の作製]
電極活物質にポリ(2,2,6,6−テトラメチルピペリジノキシメタクリレート)の重水素化物を使用した以外は上記実施例1と同様の方法で、正極活物質としてポリ(2,2,6,6−テトラメチルピペリジノキシメタクリレート)の重水素化物、負極活物質として金属リチウムからなる密閉型のコイン型二次電池を作製した。
[Production of secondary battery]
Except for using a deuterated poly (2,2,6,6-tetramethylpiperidinoxymethacrylate) as the electrode active material, poly (2,2) was used as the positive electrode active material in the same manner as in Example 1 above. , 6,6-tetramethylpiperidinoxymethacrylate) and a sealed coin-type secondary battery made of metallic lithium as the negative electrode active material.

[二次電池の動作確認]
作製したコイン型の二次電池を、0.1mAの定電流で電圧が4.0Vになるまで充電し、その後、0.1mAの定電流で1.5Vまで放電を行った。その結果、この電池は3.60Vに電圧平坦部を有する放電容量0.1mAhの二次電池であることが確認された。
[Confirmation of secondary battery operation]
The manufactured coin-type secondary battery was charged with a constant current of 0.1 mA until the voltage reached 4.0 V, and then discharged to 1.5 V with a constant current of 0.1 mA. As a result, this battery was confirmed to be a secondary battery with a discharge capacity of 0.1 mAh having a voltage flat portion at 3.60V.

その後、4.2〜2.5Vの範囲で充放電を繰り返した。その結果、容量密度は20サイクル後においても活物質あたり初期の95%以上となり、充放電を繰り返しても容量低下が少ない長サイクル寿命の二次電池であることが確認された。   Then, charging / discharging was repeated in the range of 4.2-2.5V. As a result, the capacity density was 95% or more of the initial value per active material even after 20 cycles, and it was confirmed that the secondary battery had a long cycle life with little decrease in capacity even after repeated charge and discharge.

(実施例4)
下記式(32)に示す合成スキームに従って、重水素化フェナジンを合成した。

Figure 0006175703
Example 4
Deuterated phenazine was synthesized according to the synthesis scheme shown in the following formula (32).
Figure 0006175703

具体的には、上記式(32)に示すように、フェナジンを重水、白金−活性炭素(Pt:5%)、アルミニウム(III)粉末とともにマイクロウェーブ反応装置の反応容器に入れた後、約200℃でマイクロ波を照射した。放冷後、アセトニトリルで洗浄しながら吸引ろ過した後、ろ液を濃縮した。濃縮して得られた重水素化フェナジンを昇華精製し、目的物を得た。HNMRで算出した重水素化フェナジンの重水素化率は、96atom%Dであった。 Specifically, as shown in the above formula (32), after putting phenazine in a reaction vessel of a microwave reactor together with heavy water, platinum-activated carbon (Pt: 5%), and aluminum (III) powder, about 200 Microwave irradiation was performed at ° C. After allowing to cool, the filtrate was concentrated after suction filtration with washing with acetonitrile. The deuterated phenazine obtained by concentration was purified by sublimation to obtain the desired product. The deuteration rate of deuterated phenazine calculated by 1 HNMR was 96 atom% D.

[二次電池の作製]
電極活物質に黄色の粉末である重水素化フェナジンを使用した以外は上記実施例1と同様の方法で、正極活物質として重水素化フェナジン、負極活物質として金属リチウムからなる密閉型のコイン型二次電池を作製した。
[Production of secondary battery]
A sealed coin type consisting of deuterated phenazine as a positive electrode active material and metallic lithium as a negative electrode active material in the same manner as in Example 1 except that deuterated phenazine as a yellow powder was used as the electrode active material. A secondary battery was produced.

[二次電池の動作確認]
作製したコイン型の二次電池を、0.1mAの定電流で電圧が4.0Vになるまで充電し、その後、0.1mAの定電流で1.5Vまで放電を行った。その結果を図5に示す。図5に示すように、この電池は2.0Vに電圧平坦部を有する放電容量0.2mAhの二次電池であることが確認された。
[Confirmation of secondary battery operation]
The manufactured coin-type secondary battery was charged with a constant current of 0.1 mA until the voltage reached 4.0 V, and then discharged to 1.5 V with a constant current of 0.1 mA. The result is shown in FIG. As shown in FIG. 5, it was confirmed that this battery was a secondary battery having a discharge capacity of 0.2 mAh having a voltage flat portion at 2.0V.

その後、4.0〜2.0Vの範囲で充放電を繰り返した。その結果、容量密度は20サイクル後においても活物質あたり初期の95%以上となり、さらに、重水素化フェナジンでは、フェナジンで観測されるシャトル現象が抑制された。このように、正極活物質として重水素化フェナジンを用いて作成した二次電池は、安定した充電が可能で、充放電を繰り返しても容量低下が少ない長サイクル寿命の二次電池であることが確認された。   Then, charging / discharging was repeated in the range of 4.0-2.0V. As a result, the capacity density became 95% or more per active material even after 20 cycles, and the shuttle phenomenon observed with phenazine was further suppressed with deuterated phenazine. As described above, the secondary battery prepared using deuterated phenazine as the positive electrode active material can be stably charged and has a long cycle life with little decrease in capacity even after repeated charge and discharge. confirmed.

(実施例5)
[有機化合物の合成]
下記式(33)及び(34)に示す合成スキームに従って、重水素化5,10−ジヒドロ−5,10−ジメチルフェナジンを合成した。

Figure 0006175703
3)
Figure 0006175703
(Example 5)
[Synthesis of organic compounds]
Deuterated 5,10-dihydro-5,10-dimethylphenazine was synthesized according to the synthesis scheme shown in the following formulas (33) and (34).
Figure 0006175703
3)
Figure 0006175703

具体的には、上記式(33)に示すように、アルゴン気流中、重水素化フェナジンを重水素化エタノールに加え、そこに、重水に溶解させたアジチオン酸ナトリウムを滴下した。反応後に吸引濾過を行い、5,10−ジヒドロフェナジンを取り出して真空加熱乾燥した。続いて、上記式(34)に示すように、アルゴン雰囲気下で5,10−ジヒドロフェナジンに脱水テトラヒドロフランテトラヒドロフランを加えてブチルリチウムを滴下した後、重水素化ヨウ化メタンを加えて撹拌した。次いで、シリカカラムクロマトグラフィー分離精製を行って、重水素化5,10−ジヒドロ−5,10−ジメチルフェナジンを得た。EI―MS測定結果を図6に示す。また、EI−MSで算出した重水素化5,10−ジヒドロ−5,10−ジメチルフェナジンの重水素化率は、98atom%Dであった。   Specifically, as shown in the above formula (33), deuterated phenazine was added to deuterated ethanol in an argon stream, and sodium adithionate dissolved in heavy water was added dropwise thereto. After the reaction, suction filtration was performed, and 5,10-dihydrophenazine was taken out and dried under vacuum heating. Subsequently, as shown in the above formula (34), dehydrated tetrahydrofuran tetrahydrofuran was added to 5,10-dihydrophenazine and butyllithium was added dropwise under an argon atmosphere, and then deuterated iodomethane was added and stirred. Subsequently, silica column chromatography separation and purification were performed to obtain deuterated 5,10-dihydro-5,10-dimethylphenazine. The EI-MS measurement results are shown in FIG. The deuteration rate of deuterated 5,10-dihydro-5,10-dimethylphenazine calculated by EI-MS was 98 atom% D.

[二次電池の作製]
電極活物質に黄色の粉末である重水素化5,10−ジヒドロ−5,10−ジメチルフェナジンを使用した以外は上記実施例1と同様の方法で、正極活物質として重水素化5,10−ジヒドロフェナジン、負極活物質として金属リチウムからなる密閉型のコイン型二次電池を作製した。
[Production of secondary battery]
In the same manner as in Example 1 except that deuterated 5,10-dihydro-5,10-dimethylphenazine, which is a yellow powder, was used as the electrode active material, deuterated 5,10- A sealed coin-type secondary battery made of dihydrophenazine and metallic lithium as a negative electrode active material was produced.

[二次電池の動作確認]
作製したコイン型の二次電池を、0.1mAの定電流で電圧が4.0Vになるまで充電し、その後、0.1mAの定電流で1.5Vまで放電を行った。その結果、この電池は3.0Vおよび3.5Aに電圧平坦部を有する放電容量0.15mAhの二次電池であることが確認された。
[Confirmation of secondary battery operation]
The manufactured coin-type secondary battery was charged with a constant current of 0.1 mA until the voltage reached 4.0 V, and then discharged to 1.5 V with a constant current of 0.1 mA. As a result, this battery was confirmed to be a secondary battery having a discharge capacity of 0.15 mAh having a voltage flat portion at 3.0 V and 3.5 A.

その後、4.2〜2.5Vの範囲で充放電を繰り返した。その結果、容量密度は20サイクル後においても活物質あたり初期の95%以上となり、さらに、重水素化5,10−ジヒドロ−5,10−ジメチルフェナジンでは、フェナジンで観測されるシャトル現象が抑制された。このように、正極活物質として重水素化5,10−ジヒドロ−5,10−ジメチルフェナジンを用いて作成した二次電池は、安定した充電が可能で、充放電を繰り返しても容量低下が少ない長サイクル寿命の二次電池であることが確認された。   Then, charging / discharging was repeated in the range of 4.2-2.5V. As a result, the capacity density is 95% or more of the initial active material after 20 cycles, and the deuterated 5,10-dihydro-5,10-dimethylphenazine suppresses the shuttle phenomenon observed with phenazine. It was. As described above, the secondary battery prepared using deuterated 5,10-dihydro-5,10-dimethylphenazine as the positive electrode active material can be stably charged, and has a small capacity reduction even after repeated charge and discharge. It was confirmed that the secondary battery had a long cycle life.

(実施例6)
[有機化合物の合成]
下記式(35)に示す合成スキームに従って、重水素化ジヒドロフェナジンジカルボニル化合物の重合体を合成した。

Figure 0006175703
(Example 6)
[Synthesis of organic compounds]
A polymer of a deuterated dihydrophenazine dicarbonyl compound was synthesized according to a synthesis scheme shown in the following formula (35).
Figure 0006175703

具体的には、上記式(35)に示すように、アルゴン気流中、重水素化5,10−ジヒドロフェナジンと4−ジメチルアミノピリジンとを脱水ピリジンに溶解させた後、脱水テトラヒドロフランとオギサリルクロリドとの混合溶液を0℃で加えて、室温で1時間、次いで、60℃で4時間撹拌した。反応終了後、ピリジンを除去し、メタノールを加えて沈殿した黒色粉末をろ過することにより、重水素化ジヒドロフェナジンジカルボニル化合物重合体を得た。GC―MSで測定した重水素化ジヒドロフェナジンジカルボニル化合物重合体の重水素化率は、96atom%Dであった。   Specifically, as shown in the above formula (35), after deuterated 5,10-dihydrophenazine and 4-dimethylaminopyridine were dissolved in dehydrated pyridine in an argon stream, dehydrated tetrahydrofuran and ogisaryl chloride were dissolved. Was added at 0 ° C., and the mixture was stirred at room temperature for 1 hour and then at 60 ° C. for 4 hours. After completion of the reaction, pyridine was removed, methanol was added, and the precipitated black powder was filtered to obtain a deuterated dihydrophenazine dicarbonyl compound polymer. The deuteration rate of the deuterated dihydrophenazine dicarbonyl compound polymer measured by GC-MS was 96 atom% D.

[二次電池の作製]
電極活物質に黒色の固体であるジヒドロフェナジンジカルボニル化合物重合体の重水素化物を使用した以外は上記実施例1と同様の方法で、正極活物質としてジヒドロフェナジンジカルボニル化合物重合体の重水素化物、負極活物質として金属リチウムからなる密閉型のコイン型二次電池を作製した。
[Production of secondary battery]
A deuterated product of dihydrophenazine dicarbonyl compound polymer was used as the positive electrode active material in the same manner as in Example 1 except that a deuterated product of dihydrophenazine dicarbonyl compound polymer that was a black solid was used as the electrode active material. Then, a sealed coin-type secondary battery made of metallic lithium as a negative electrode active material was produced.

[二次電池の動作確認]
作製したコイン型の二次電池を、0.1mAの定電流で電圧が4.0Vになるまで充電し、その後、0.1mAの定電流で1.5Vまで放電を行った。その結果、この電池は2.4Vおよび2.6Aに電圧平坦部を有する放電容量0.1mAhの二次電池であることが確認された。
[Confirmation of secondary battery operation]
The manufactured coin-type secondary battery was charged with a constant current of 0.1 mA until the voltage reached 4.0 V, and then discharged to 1.5 V with a constant current of 0.1 mA. As a result, it was confirmed that this battery was a secondary battery having a discharge capacity of 0.1 mAh having a voltage flat portion at 2.4 V and 2.6 A.

その後、4.2〜2.5Vの範囲で充放電を繰り返した。その結果、容量密度は20サイクル後においても活物質あたり初期の95%以上となり、充放電を繰り返しても容量低下が少ない長サイクル寿命の二次電池であることが確認された。   Then, charging / discharging was repeated in the range of 4.2-2.5V. As a result, the capacity density was 95% or more of the initial value per active material even after 20 cycles, and it was confirmed that the secondary battery had a long cycle life with little decrease in capacity even after repeated charge and discharge.

(実施例7)
[二次電池の作製]
電解質に、市販の重水素化エチレンカーボネート(アイソテック:製品番号57301−9)および重水素化ジエチルカーボネート(アイソテック:製品番号76050−1)を使用した以外は上記実施例1と同様の方法で、正極活物質として重水素化ルベアン酸、負極活物質として金属リチウムからなる密閉型のコイン型二次電池を作製した。
(Example 7)
[Production of secondary battery]
In the same manner as in Example 1 except that commercially available deuterated ethylene carbonate (Isotech: product number 57301-9) and deuterated diethyl carbonate (Isotech: product number 76050-1) were used as the electrolyte. Then, a sealed coin-type secondary battery made of deuterated rubeanic acid as the positive electrode active material and metallic lithium as the negative electrode active material was produced.

[二次電池の動作確認]
作製したコイン型の二次電池を、0.1mAの定電流で電圧が4.0Vになるまで充電し、その後、0.1mAの定電流で1.5Vまで放電を行った。この電池は、2.4Vおよび2.0Vに電圧平坦部を有する放電容量0.6mAhの二次電池であることが確認された。
[Confirmation of secondary battery operation]
The manufactured coin-type secondary battery was charged with a constant current of 0.1 mA until the voltage reached 4.0 V, and then discharged to 1.5 V with a constant current of 0.1 mA. This battery was confirmed to be a secondary battery having a discharge capacity of 0.6 mAh having a voltage flat portion at 2.4 V and 2.0 V.

その後、4.0〜1.5Vの範囲で充放電を繰り返した。その結果、容量密度は20サイクル後においても活物質あたり初期の95%以上となり、充放電を繰り返しても容量低下が少ない長サイクル寿命の二次電池であることが確認された。   Thereafter, charging and discharging were repeated in the range of 4.0 to 1.5V. As a result, the capacity density was 95% or more of the initial value per active material even after 20 cycles, and it was confirmed that the secondary battery had a long cycle life with little decrease in capacity even after repeated charge and discharge.

1 リチウム二次電池(非水電解液二次電池)
2 正極ケース(正極集電体)
3 負極ケース
4 正極
5 セパレータ
6 負極
7 負極集電体
8 金属製のばね
9 電解質
10 ガスケット
1 Lithium secondary battery (non-aqueous electrolyte secondary battery)
2 Positive electrode case (positive electrode current collector)
3 Negative electrode case 4 Positive electrode 5 Separator 6 Negative electrode 7 Negative electrode current collector 8 Metal spring 9 Electrolyte 10 Gasket

Claims (6)

電極活物質を含む正極と、負極と、を有し、前記電極活物質の電極反応によって充放電する非水電解液二次電池であって、
前記電極活物質が、水素原子の安定同位体である重水素を重水素化率が1%以上となるように含む、重水素化された有機化合物であるとともに、
前記有機化合物として、中性のラジカル化合物、ルベアン酸構造を有する化合物及び共役ジアミン構造を有する化合物のうちの少なくとも1種を含むことを特徴とする非水電解液二次電池。
A non-aqueous electrolyte secondary battery having a positive electrode containing an electrode active material and a negative electrode, and charging and discharging by an electrode reaction of the electrode active material,
The electrode active material is a deuterated organic compound containing deuterium which is a stable isotope of a hydrogen atom so that a deuteration rate is 1% or more ,
A non-aqueous electrolyte secondary battery comprising at least one of a neutral radical compound, a compound having a rubeanic acid structure, and a compound having a conjugated diamine structure as the organic compound .
重水素化された前記有機化合物の重水素化率が、10%以上であることを特徴とする請求項1に記載の非水電解液二次電池。  2. The non-aqueous electrolyte secondary battery according to claim 1, wherein the deuterated organic compound has a deuteration rate of 10% or more. 前記電極活物質の電極反応における反応出発物、生成物及び中間生成物のうちのいずれかに、重水素化された前記有機化合物を含むことを特徴とする請求項1又は2に記載の非水電解液二次電池。 3. The non-aqueous solution according to claim 1 , wherein the deuterated organic compound is included in any one of a reaction starting material, a product, and an intermediate product in an electrode reaction of the electrode active material. Electrolyte secondary battery. 前記中性のラジカル化合物が、ニトロキシルラジカル化合物であることを特徴とする請求項1乃至3のいずれか一項に記載の非水電解液二次電池。 The non-aqueous electrolyte secondary battery according to any one of claims 1 to 3, wherein the neutral radical compound is a nitroxyl radical compound. 前記ルベアン酸構造を有する化合物が、下記の一般式(1)で表されることを特徴とする請求項1乃至3のいずれか一項に記載の非水電解液二次電池。
Figure 0006175703
なお、上記一般式(1)において、R及びRは、置換または非置換のイミノ基、置換または非置換のアルキレン基、もしくは置換または非置換のアリーレン基である。式中nは、1〜100の整数である。
The nonaqueous electrolyte secondary battery according to any one of claims 1 to 3, wherein the compound having a rubeanic acid structure is represented by the following general formula (1).
Figure 0006175703
In the general formula (1), R 1 and R 2 are a substituted or unsubstituted imino group, a substituted or unsubstituted alkylene group, or a substituted or unsubstituted arylene group. Wherein n is an integer of 1 to 100.
前記共役ジアミン構造を有する化合物が、下記の一般式(2)で表されることを特徴とする請求項1乃至3のいずれか一項に記載の非水電解液二次電池。
Figure 0006175703
なお、上記一般式(2)において、R及びRは、置換または非置換のアルキル基、置換または非置換のアルキレン基、置換または非置換のアリーレン基、置換または非置換のカルボニル基、置換または非置換のアシル基、置換または非置換のアルコキシカルボニル基、置換または非置換のエステル基、置換または非置換のエーテル基、置換または非置換のチオエーテル基、置換または非置換のアミン基、置換または非置換のアミド基、置換または非置換のスルホン基、置換または非置換のチオスルホニル基、置換または非置換のスルホンアミド基、置換または非置換のイミン基、置換または非置換のアゾ基、もしくはこれらの1以上の組み合わせからなる連結基である。
また、上記一般式(2)において、X〜Xは、ハロゲン原子、ヒドロキシル基、ニトロ基、シアノ基、カルボキシル基、置換または非置換のアルキル基、置換または非置換のアルケニル基、置換または非置換のシクロアルキル基、置換または非置換の芳香族炭化水素基、置換または非置換の芳香族複素環基、置換または非置換のアラルキル基、置換または非置換のアミノ基、置換または非置換のアルコキシ基、置換または非置換のアリールオキシ基、置換または非置換のアルコキシカルボニル基、置換または非置換のアリールオキシカルボニル基、置換または非置換のアシル基、もしくは置換または非置換のアシルオキシ基であり、これらの置換基は置換基同士で環構造を形成していてもよい。
The nonaqueous electrolyte secondary battery according to any one of claims 1 to 3, wherein the compound having a conjugated diamine structure is represented by the following general formula (2).
Figure 0006175703
In the general formula (2), R 3 and R 4 are a substituted or unsubstituted alkyl group, a substituted or unsubstituted alkylene group, a substituted or unsubstituted arylene group, a substituted or unsubstituted carbonyl group, a substituted Or unsubstituted acyl group, substituted or unsubstituted alkoxycarbonyl group, substituted or unsubstituted ester group, substituted or unsubstituted ether group, substituted or unsubstituted thioether group, substituted or unsubstituted amine group, substituted or Unsubstituted amide group, substituted or unsubstituted sulfone group, substituted or unsubstituted thiosulfonyl group, substituted or unsubstituted sulfonamido group, substituted or unsubstituted imine group, substituted or unsubstituted azo group, or these A linking group comprising a combination of one or more of the following.
In the general formula (2), X 1 to X 4 are each a halogen atom, a hydroxyl group, a nitro group, a cyano group, a carboxyl group, a substituted or unsubstituted alkyl group, a substituted or unsubstituted alkenyl group, substituted or Unsubstituted cycloalkyl group, substituted or unsubstituted aromatic hydrocarbon group, substituted or unsubstituted aromatic heterocyclic group, substituted or unsubstituted aralkyl group, substituted or unsubstituted amino group, substituted or unsubstituted An alkoxy group, a substituted or unsubstituted aryloxy group, a substituted or unsubstituted alkoxycarbonyl group, a substituted or unsubstituted aryloxycarbonyl group, a substituted or unsubstituted acyl group, or a substituted or unsubstituted acyloxy group; These substituents may form a ring structure with the substituents.
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