JP6526970B2 - Polycarbonate-based solid electrolyte and magnesium ion secondary battery - Google Patents

Polycarbonate-based solid electrolyte and magnesium ion secondary battery Download PDF

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Description

本発明は、ポリカーボネート系固体電解質及びマグネシウムイオン二次電池に関する。更に詳しくは、本発明は、高い導電率を有するマグネシウムイオン二次電池用のポリカーボネート系固体電解質、及びそれを用いたマグネシウムイオン二次電池に関する。   The present invention relates to a polycarbonate-based solid electrolyte and a magnesium ion secondary battery. More specifically, the present invention relates to a polycarbonate-based solid electrolyte for a magnesium ion secondary battery having high conductivity, and a magnesium ion secondary battery using the same.

現在、リチウムイオン二次電池が種々の用途で使用されている。しかし、リチウムは採取可能地域が限られているため、他の金属を使用した二次電池が求められている。この内、マグネシウムは2価のイオンを生じるため、充放電容量を大きくできる可能性があり、マグネシウムイオンを利用した二次電池(マグネシウムイオン二次電池)の研究が近年行われている。
ところで、多くのリチウムイオン二次電池は、リチウム塩と有機溶媒とからなる電解液を電解質として使用している。そのため、非常時には有機溶媒の漏れによる発火が生じることがあるという課題があった。この課題を解決するために、ポリマーのマトリックスにリチウム塩と有機溶媒を保持させたポリマー固体電解質が提案されている。
マグネシウムイオン二次電池においてもこの課題を有しており、例えばSolid State Ionics 149 (2002) 115-123(非特許文献1)では、マトリックスとしてポリエチレンオキサイドを用いた固体電解質が提案されている。
At present, lithium ion secondary batteries are used in various applications. However, since lithium can only be collected in a limited area, secondary batteries using other metals are required. Among these, since magnesium generates divalent ions, there is a possibility that the charge and discharge capacity can be increased, and research on secondary batteries (magnesium ion secondary batteries) using magnesium ions has been conducted in recent years.
By the way, many lithium ion secondary batteries use an electrolyte composed of a lithium salt and an organic solvent as an electrolyte. Therefore, there was a problem that ignition may occur due to leakage of the organic solvent in an emergency. In order to solve this problem, a polymer solid electrolyte in which a lithium salt and an organic solvent are held in a polymer matrix has been proposed.
The magnesium ion secondary battery also has this problem. For example, Solid State Ionics 149 (2002) 115-123 (Non-patent Document 1) proposes a solid electrolyte using polyethylene oxide as a matrix.

Solid State Ionics 149 (2002) 115-123Solid State Ionics 149 (2002) 115-123

ポリマー固体電解質の導電率の向上は、マグネシウム二次電池の性能向上に極めて大きな影響を与えるため、その向上が望まれていた。   Since the improvement of the conductivity of the polymer solid electrolyte has a very large effect on the improvement of the performance of the magnesium secondary battery, the improvement is desired.

本発明の発明者等は、導電率を更に向上するために固体電解質の構成部材について鋭意検討した結果、ポリエチレンオキサイドに代えてポリエチレンカーボネートを使用することで、導電率を向上できることを見い出し本発明に至った。   The inventors of the present invention have found that the conductivity can be improved by using polyethylene carbonate instead of polyethylene oxide as a result of earnestly examining the components of the solid electrolyte in order to further improve the conductivity. It reached.

かくして本発明によれば、ポリエチレンカーボネート100重量部と電解質塩としてのマグネシウムの有機塩40〜100重量部とを含み、
前記マグネシウムの有機塩が、マグネシウムビストリフルオロメタンスルホニルアミド、マグネシウムビス(フルオロスルホニル)イミド、マグネシウムトリフルオロメタンスルホン酸、マグネシウムビスペンタフルオロエタンスルホニルアミド、マグネシウムビスオキサラトホウ酸及びマグネシウムジフルオロ〔トリフルオロ−2−オキシド−2−トリフルオロ−メチルプロピオナト(2−)−0,0〕ホウ酸から選択されるマグネシウムイオン二次電池用のポリエチレンカーボネート系固体電解質が提供される。
更に、本発明によれば、一対の電極としての正極及び負極と、前記一対の電極間に位置する固体電解質とを備え、前記固体電解質が、上記ポリエチレンカーボネート系固体電解質であることを特徴とするマグネシウムイオン二次電池が提供される。
Thus, according to the present invention, it is seen containing an organic salt 40 to 100 parts by weight of magnesium as an electrolyte salt and polyethylene carbonate 100 parts by weight,
The organic salt of magnesium is magnesium bis trifluoromethane sulfonylamide, magnesium bis (fluoro sulfonyl) imide, magnesium trifluoro methane sulfonic acid, magnesium bis penta fluoro ethane sulfonyl amide, magnesium bis oxalato boric acid and magnesium difluoro [trifluoro -2- trifluoro [trifluoro -2-] There is provided a polyethylene carbonate-based solid electrolyte for a magnesium ion secondary battery selected from oxide-2-trifluoro-methylpropionato (2-)-0,0] boric acid .
Furthermore, according to the present invention, a positive electrode and a negative electrode as a pair of electrodes, and a solid electrolyte positioned between the pair of electrodes, wherein the solid electrolyte is the above-mentioned polyethylene carbonate-based solid electrolyte A magnesium ion secondary battery is provided.

本発明によれば、高い導電率を有する、マグネシウムの有機塩を含む固体電解質、及びこの固体電荷質を含むマグネシウムイオン二次電池を提供できる。
また、本発明によれば、以下のいずれかを備えた場合、より高い導電率を有する固体電解質を提供できる。
(1)マグネシウムの有機塩が、マグネシウムビストリフルオロメタンスルホニルアミド、マグネシウムビス(フルオロスルホニル)イミド、マグネシウムトリフルオロメタンスルホン酸、マグネシウムビスペンタフルオロエタンスルホニルアミド、マグネシウムビスオキサラトホウ酸及びマグネシウムジフルオロ〔トリフルオロ−2−オキシド−2−トリフルオロ−メチルプロピオナト(2−)−0,0〕ホウ酸から選択される。
(2)ポリエチレンカーボネートが、5千〜100万の数平均分子量を有する。
(3)マグネシウムの有機塩が、マグネシウムビストリフルオロメタンスルホニルアミドであり、ポリエチレンカーボネート100重量部に対して、40〜100重量部含まれる。
According to the present invention, it is possible to provide a solid electrolyte containing an organic salt of magnesium, which has high conductivity, and a magnesium ion secondary battery containing this solid charge material.
Further, according to the present invention, a solid electrolyte having higher conductivity can be provided when any of the following is provided.
(1) The organic salt of magnesium is magnesium bis trifluoromethane sulfonylamide, magnesium bis (fluoro sulfonyl) imide, magnesium trifluoro methane sulfonic acid, magnesium bis penta fluoro ethane sulfonyl amide, magnesium bis oxalato boric acid and magnesium difluoro [trifluoro [trifluoro- It is selected from 2-oxide-2-trifluoro-methylpropionato (2-)-0,0] boric acid.
(2) Polyethylene carbonate has a number average molecular weight of 5,000 to 1,000,000.
(3) The organic salt of magnesium is magnesium bis trifluoromethane sulfonylamide, and it is contained 40 to 100 parts by weight with respect to 100 parts by weight of polyethylene carbonate.

実施例1の固体電解質のDSC曲線である。3 is a DSC curve of the solid electrolyte of Example 1. 実施例1の固体電解質のラマンスペクトルである。3 is a Raman spectrum of the solid electrolyte of Example 1. 実施例1の固体電解質のインピーダンスプロットである。3 is an impedance plot of the solid electrolyte of Example 1; 実施例1の固体電解質の導電率の温度依存性を示すグラフである。5 is a graph showing the temperature dependency of the conductivity of the solid electrolyte of Example 1. FIG. 実施例1の固体電解質の導電率及び活性化エネルギーとMg(TFSA)2の含有量との関係を示すグラフである。5 is a graph showing the relationship between the conductivity and activation energy of the solid electrolyte of Example 1 and the content of Mg (TFSA) 2 ; 実施例2の固体電解質のXRDパターンである。7 is an XRD pattern of the solid electrolyte of Example 2. 実施例2の固体電解質のインピーダンスプロットである。7 is an impedance plot of the solid electrolyte of Example 2. 実施例2の固体電解質の温度依存性を示すグラフである。5 is a graph showing the temperature dependency of the solid electrolyte of Example 2. FIG.

本発明の発明者等は、マグネシウムイオン二次電池において、電解質塩としてのマグネシウムの有機塩が、固体電解質のマトリックスを構成するポリマー種に与える影響について鋭意検討した。その結果、ポリエチレンカーボネートを使用した場合、その含有量の低下に応じて、導電率が一旦増加した後に減少し、かつガラス転移温度(Tg)は大きく変化しないことを本発明者らは意外にも見い出し本発明に至った。本発明者等は、ポリエチレンオキサイドに比べて、マグネシウムイオンに弱い力で相互作用するカーボネート結合を有するポリエチレンカーボネートが、イオン伝導に有効に働いたものと考えている。   The inventors of the present invention have intensively studied the effect of an organic salt of magnesium as an electrolyte salt on a polymer species constituting a matrix of a solid electrolyte in a magnesium ion secondary battery. As a result, when polyethylene carbonate is used, the conductivity increases once and then decreases and the glass transition temperature (Tg) does not change significantly according to the decrease of the content, and the present inventors surprisingly It found and came to this invention. The present inventors believe that polyethylene carbonate having a carbonate bond that interacts with magnesium ion with a weaker force than polyethylene oxide effectively works for ion conduction.

(固体電解質)
固体電解質は、ポリエチレンカーボネート100重量部とマグネシウムの有機塩10〜900重量部とを含む。マグネシウムの有機塩の含有量が10重量部未満の場合、絶縁性となることがある。900重量部より多い場合、柔軟性が損なわれることがある。マグネシウムの有機塩の含有量は、20〜500重量部であることが好ましく、40〜100重量部であることがより好ましい。
(1)ポリエチレンカーボネート
ポリエチレンカーボネートとしては、特に限定されず、例えば、エチレンオキシドと二酸化炭素とを金属触媒の存在下で重合反応させて得られるものが挙げられる。金属触媒としては、例えば、アルミニウム触媒、亜鉛触媒等が挙げられる。これらの中でも、エチレンオキシドと二酸化炭素との重合反応において、高い重合活性を有することから、亜鉛触媒が好ましく用いられ、亜鉛触媒の中でも、有機亜鉛触媒が好ましく用いられる。
(Solid electrolyte)
The solid electrolyte contains 100 parts by weight of polyethylene carbonate and 10 to 900 parts by weight of an organic salt of magnesium. If the content of the organic salt of magnesium is less than 10 parts by weight, it may be insulating. If it is more than 900 parts by weight, the flexibility may be lost. The content of the organic salt of magnesium is preferably 20 to 500 parts by weight, and more preferably 40 to 100 parts by weight.
(1) Polyethylene carbonate The polyethylene carbonate is not particularly limited, and examples thereof include those obtained by polymerizing ethylene oxide and carbon dioxide in the presence of a metal catalyst. As a metal catalyst, an aluminum catalyst, a zinc catalyst, etc. are mentioned, for example. Among these, in the polymerization reaction of ethylene oxide and carbon dioxide, a zinc catalyst is preferably used because it has high polymerization activity, and among zinc catalysts, an organic zinc catalyst is preferably used.

有機亜鉛触媒としては、例えば、酢酸亜鉛、ジエチル亜鉛、ジブチル亜鉛等の有機亜鉛触媒;一級アミン、2価のフェノール、2価の芳香族カルボン酸、芳香族ヒドロキシ酸、脂肪族ジカルボン酸、脂肪族モノカルボン酸等の化合物と亜鉛化合物とを反応させることにより得られる有機亜鉛触媒等が挙げられる。これらの有機亜鉛触媒の中でも、より高い重合活性を有することから、亜鉛化合物と、脂肪族ジカルボン酸と、脂肪族モノカルボン酸とを反応させて得られる有機亜鉛触媒であることが好ましい。
重合反応に用いられる金属触媒の使用量は、エチレンオキシド100重量部に対して、0.001〜20重量部であることが好ましい。金属触媒の使用量が0.001重量部未満の場合、重合反応が進行しにくくなることがある。また、金属触媒の使用量が20重量部を超える場合、使用量に見合う効果がなく経済的でなくなることがある。使用量は0.01〜10重量部であることがより好ましい。
Examples of organozinc catalysts include: organozinc catalysts such as zinc acetate, diethylzinc and dibutylzinc; primary amines, divalent phenols, divalent aromatic carboxylic acids, aromatic hydroxy acids, aliphatic dicarboxylic acids, aliphatic The organic zinc catalyst etc. which are obtained by making compounds, such as a monocarboxylic acid, and a zinc compound react are mentioned. Among these organic zinc catalysts, organic zinc catalysts obtained by reacting a zinc compound, an aliphatic dicarboxylic acid, and an aliphatic monocarboxylic acid are preferable because they have higher polymerization activity.
The amount of the metal catalyst used for the polymerization reaction is preferably 0.001 to 20 parts by weight with respect to 100 parts by weight of ethylene oxide. When the amount of the metal catalyst used is less than 0.001 parts by weight, the polymerization reaction may be difficult to proceed. In addition, when the amount of metal catalyst used exceeds 20 parts by weight, the effect may not be met and the amount may not be economical. The amount used is more preferably 0.01 to 10 parts by weight.

重合反応において、エチレンオキシドと二酸化炭素とを金属触媒の存在下で反応させる方法としては、特に限定されない。例えば、オートクレーブに、前記エチレンオキシド、金属触媒、及び必要により反応溶媒を仕込み、混合した後、二酸化炭素を圧入して、反応させる方法が挙げられる。
重合反応において必要に応じて用いられる反応溶媒としては、特に限定されるものではなく、種々の有機溶媒を用いることができる。有機溶媒としては、具体的には、例えば、ペンタン、ヘキサン、オクタン、デカン、シクロヘキサン等の脂肪族炭化水素系溶媒;ベンゼン、トルエン、キシレン等の芳香族炭化水素系溶媒;クロロメタン、メチレンジクロリド、クロロホルム、四塩化炭素、1,1−ジクロロエタン、1,2−ジクロロエタン、エチルクロリド、トリクロロエタン、1−クロロプロパン、2−クロロプロパン、1−クロロブタン、2−クロロブタン、1−クロロ−2−メチルプロパン、クロロベンゼン、ブロモベンゼン等のハロゲン化炭化水素系溶媒;ジメチルカーボネート、ジエチルカーボネート、プロピレンカーボネート等のカーボネート系溶媒等が挙げられる。
The method of reacting ethylene oxide and carbon dioxide in the presence of a metal catalyst in the polymerization reaction is not particularly limited. For example, the ethylene oxide, the metal catalyst and, if necessary, the reaction solvent may be charged into an autoclave, mixed, and then carbon dioxide may be injected to cause a reaction.
It does not specifically limit as a reaction solvent used as needed in a polymerization reaction, Various organic solvents can be used. Specific examples of the organic solvent include aliphatic hydrocarbon solvents such as pentane, hexane, octane, decane and cyclohexane; aromatic hydrocarbon solvents such as benzene, toluene and xylene; chloromethane, methylene dichloride, Chloroform, carbon tetrachloride, 1,1-dichloroethane, 1,2-dichloroethane, ethyl chloride, trichloroethane, 1-chloropropane, 2-chloropropane, 1-chlorobutane, 2-chlorobutane, 1-chloro-2-methylpropane, chlorobenzene, Halogenated hydrocarbon solvents such as bromobenzene; carbonate solvents such as dimethyl carbonate, diethyl carbonate, propylene carbonate and the like can be mentioned.

反応溶媒の使用量は、反応を円滑にさせる観点から、エチレンオキシド100重量部に対して、300〜10000重量部であることが好ましい。
前記重合反応において用いられる二酸化炭素の使用圧力は、特に限定されないが、20MPa以下であることが好ましい。二酸化炭素の使用圧力が20MPaを超える場合、使用圧力に見合う効果がなく経済的でなくなることがある。使用圧力は0.1〜10MPaであることがより好ましく、0.1〜5MPaであることが更に好ましい。
重合反応における重合反応温度は、特に限定されないが、30〜100℃であることが好ましい。重合反応温度が30℃未満の場合、重合反応に長時間を要することがある。また、重合反応温度が100℃を超える場合、副反応が起こり、収率が低下することがある。重合反応温度は40〜80℃であることがより好ましい。重合反応時間は、重合反応温度により異なるために一概にはいえないが、通常、2〜40時間であることが好ましい。
重合反応において、必要に応じて分子量を制御する目的で、活性プロトンを有する化合物の存在下で反応させることができる。活性プロトンを有する化合物としては、例えば、水、メタノール、エタノール、ベンジルアルコール、エチレングリコール等のアルコール類;酢酸、プロピオン酸、安息香酸、シュウ酸、マロン酸、コハク酸、テレフタル酸等のカルボン酸類;フェノール、p−クレゾール、ヒドロキノン等のフェノール類が挙げられる。
これらの活性プロトンを有する化合物は非存在下でも、1種以上の化合物の存在下でも反応させることができる。
前記の活性プロトンを有する化合物の存在量は、エチレンオキシド100重量部に対して20重量部以下であることが好ましく、10重量部以下であることがより好ましい。活性プロトンを有する化合物の存在量が20重量部を超える場合、重合反応が進行しにくくなる恐れがある。
重合反応終了後は、ろ過等によりろ別し、必要により溶媒等で洗浄後、乾燥させることにより、ポリエチレンカーボネートを得ることができる。
The amount of the reaction solvent used is preferably 300 to 10,000 parts by weight with respect to 100 parts by weight of ethylene oxide from the viewpoint of facilitating the reaction.
Although the working pressure of carbon dioxide used in the polymerization reaction is not particularly limited, it is preferably 20 MPa or less. When the working pressure of carbon dioxide exceeds 20 MPa, the working pressure may not be effective and it may not be economical. The working pressure is more preferably 0.1 to 10 MPa, and still more preferably 0.1 to 5 MPa.
The polymerization reaction temperature in the polymerization reaction is not particularly limited, but is preferably 30 to 100 ° C. When the polymerization reaction temperature is less than 30 ° C., the polymerization reaction may take a long time. When the polymerization reaction temperature exceeds 100 ° C., side reactions may occur and the yield may be reduced. The polymerization reaction temperature is more preferably 40 to 80 ° C. The polymerization reaction time can not generally be mentioned because it varies depending on the polymerization reaction temperature, but usually, it is preferably 2 to 40 hours.
In the polymerization reaction, the reaction can be carried out in the presence of a compound having an active proton, for the purpose of controlling the molecular weight as necessary. Examples of compounds having active protons include alcohols such as water, methanol, ethanol, benzyl alcohol and ethylene glycol; carboxylic acids such as acetic acid, propionic acid, benzoic acid, oxalic acid, malonic acid, succinic acid and terephthalic acid; Phenols such as phenol, p-cresol, hydroquinone and the like can be mentioned.
The compounds having these active protons can be reacted either in the absence or in the presence of one or more compounds.
The amount of the compound having an active proton is preferably 20 parts by weight or less and more preferably 10 parts by weight or less with respect to 100 parts by weight of ethylene oxide. When the amount of the compound having an active proton exceeds 20 parts by weight, the polymerization reaction may be difficult to proceed.
After completion of the polymerization reaction, the resultant is separated by filtration or the like, and if necessary, after washing with a solvent or the like, polyethylene carbonate can be obtained by drying.

ポリエチエチレンカーボネートの数平均分子量(ポリスチレン換算)は、5千〜100万であることが好ましい。ポリエチレンカーボネートの数平均分子量が5千未満の場合、固体電解質の粘性が低くなり、形状保持が困難になる恐れがある。また、100万を超える場合、マグネシウムの有機塩との相溶性が暗化する恐れがある。より好ましい数平均分子量は1万〜50万である。なお、数平均分子量は、上記製造条件中、反応系中に含まれる活性プロトンを有する化合物の存在量を多くすることで小さく、反応系中に含まれる活性プロトンを有する化合物の存在量を少なくすること、及び/又は触媒の使用量を少なくすることで大きく調整できる。数平均分子量の測定法を下記する。
ポリエチレンカーボネート濃度が0.5重量%のクロロホルム溶液を調製し、高速液体クロマトグラフを用いて得られた測定値を、同一条件で測定した数平均分子量が既知のポリスチレンのデータと比較することにより、数平均分子量を算出する。なお、測定条件は、以下の通りである。
機種:HLC−8020
カラム:GPCカラム
(東ソー社製、TSK GEL Multipore HXL−M)
カラム温度:40℃
溶出液:クロロホルム
流速:1mL/分
The number average molecular weight (in terms of polystyrene) of polyethylene carbonate is preferably 50,000 to 1,000,000. If the number average molecular weight of polyethylene carbonate is less than 5,000, the viscosity of the solid electrolyte may be low, and shape retention may be difficult. If it exceeds 1,000,000, the compatibility with the organic salt of magnesium may be darkened. A more preferable number average molecular weight is 10,000 to 500,000. The number average molecular weight is small by increasing the amount of the compound having an active proton contained in the reaction system under the above-mentioned production conditions, and reduces the amount of the compound having an active proton contained in the reaction system. And / or can be largely adjusted by reducing the amount of catalyst used. The measurement method of number average molecular weight is described below.
By preparing a chloroform solution with a polyethylene carbonate concentration of 0.5% by weight, and comparing the measured values obtained using high performance liquid chromatograph with the data of polystyrene with known number average molecular weight measured under the same conditions, Calculate number average molecular weight. The measurement conditions are as follows.
Model: HLC-8020
Column: GPC column (manufactured by Tosoh Corp., TSK GEL Multipore H XL- M)
Column temperature: 40 ° C
Eluent: chloroform flow rate: 1 mL / min

(2)マグネシウムの有機塩
マグネシウムの有機塩としては、特に限定されず、二次電池用の電解質塩として知られているものをいずれも使用できる。マグネシウムの有機塩としては、例えば、マグネシウムビストリフルオロメタンスルホニルアミド、マグネシウムビス(フルオロスルホニル)イミド、マグネシウムトリフルオロメタンスルホン酸、マグネシウムビスペンタフルオロエタンスルホニルアミド、マグネシウムビスオキサラトホウ酸、マグネシウムジフルオロ〔トリフルオロ−2−オキシド−2−トリフルオロ−メチルプロピオナト(2−)−0,0〕ホウ酸等が挙げられる。
上記マグネシウムの有機塩の内、マグネシウムビストリフルオロメタンスルホニルアミドが好ましい。マグネシウムビストリフルオロメタンスルホニルアミドを使用する場合、より導電率を向上させる観点から、マグネシウムビストリフルオロメタンスルホニルアミドは、ポリエチレンカーボネート100重量部に対して、40〜100重量部含まれることが好ましい。
(2) Organic Salt of Magnesium The organic salt of magnesium is not particularly limited, and any salts known as electrolyte salts for secondary batteries can be used. As an organic salt of magnesium, for example, magnesium bis trifluoromethane sulfonylamide, magnesium bis (fluoro sulfonyl) imide, magnesium trifluoro methane sulfonic acid, magnesium bis penta fluoro ethane sulfonyl amide, magnesium bis oxalato boric acid, magnesium difluoro [trifluoro- 2-oxide -2- trifluoro- methyl propionato (2-)-0, 0] boric acid etc. are mentioned.
Among the above organic salts of magnesium, magnesium bistrifluoromethanesulfonylamide is preferred. When magnesium bis trifluoromethane sulfonylamide is used, it is preferable that magnesium bis trifluoro methane sulfonylamide is contained 40 to 100 parts by weight with respect to 100 parts by weight of polyethylene carbonate from the viewpoint of further improving the conductivity.

(3)その他の成分
固体電解質には、本発明の効果を損なわない範囲で、マグネシウムの無機塩、溶媒、導電材等の他の成分が含まれていてもよい。
マグネシウムの無機塩としては、Mg0.7(Zr0.85Nb0.154624、MgBr2、MgCl2、MgI2、Mg(SCN)2、Mg(BF42、Mg(AsF42、Mg(ClO42、Mg(PF62、MgS−P25等が挙げられる。
溶媒としては、アセトン、塩化メチレン、クロロホルム、四塩化炭素、1,2−ジクロロエタン、ジメチルカーボネート、ジエチルカーボネート、プロピレンカーボネート、アセトニトリル、トルエン、テトラヒドロフラン、ニトロトルエン、シクロヘキサノン、トリグライム、テトラグライム、エチルイソプロピルスルフォン等が挙げられる。
導電材としては、アセチレンブラック、デンカブラック、ケッチェンブラック等のカーボンブラックやカーボンナノチューブ、天然黒鉛、人工黒鉛、気相成長カーボンファィバ(VGCF)等が挙げられる。
(3) Other Components The solid electrolyte may contain other components such as an inorganic salt of magnesium, a solvent, and a conductive material as long as the effects of the present invention are not impaired.
As an inorganic salt of magnesium, Mg 0.7 (Zr 0.85 Nb 0.15 ) 4 P 6 O 24 , MgBr 2 , MgCl 2 , MgI 2 , Mg (SCN) 2 , Mg (BF 4 ) 2 , Mg (AsF 4 ) 2 , mg (ClO 4) 2, mg (PF 6) 2, MgS-P 2 S 5 , and the like.
As the solvent, acetone, methylene chloride, chloroform, carbon tetrachloride, 1,2-dichloroethane, dimethyl carbonate, diethyl carbonate, propylene carbonate, acetonitrile, toluene, tetrahydrofuran, nitrotoluene, cyclohexanone, triglyme, tetraglyme, ethyl isopropyl sulfone etc. It can be mentioned.
Examples of the conductive material include carbon black such as acetylene black, denka black and ketjen black, carbon nanotubes, natural graphite, artificial graphite, vapor grown carbon fiber (VGCF) and the like.

(4)固体電解質の製造方法
固体電解質の製造方法としては、例えば、(i)ポリエチレンカーボネートとマグネシウムの有機塩とを溶媒に混合して混合液を得、混合液を基材上に塗布し、得られた塗膜を乾燥させる方法、(ii)混合液を型枠に流した後、乾燥させる方法、(iii)熔融したポリエチレンカーボネートにマグネシウムの有機塩を加えて混錬し、得られた混錬物を膜状に押し出す方法、等が挙げられる。(i)及び(ii)の方法において、ポリエチレンカーボネートとマグネシウムの有機塩は溶媒に溶解してもよく、溶解せずに分散してもよい。
(4) Method of Producing Solid Electrolyte As a method of producing a solid electrolyte, for example, (i) polyethylene carbonate and an organic salt of magnesium are mixed in a solvent to obtain a liquid mixture, and the liquid mixture is coated on a substrate, Method for drying the obtained coating film, (ii) Method for flowing the mixed solution into a mold and then drying, (iii) Organic salt of magnesium is added to the melted polyethylene carbonate and mixed, and the obtained mixture is obtained The method of extruding a smelt to a film form etc. are mentioned. In the methods (i) and (ii), the polyethylene carbonate and the organic salt of magnesium may be dissolved in the solvent or may be dispersed without being dissolved.

(マグネシウムウムイオン二次電池)
マグネシウムウムイオン二次電池は、一対の電極としての正極及び負極と、前記一対の電極間に位置する固体電解質とを備えている。電池を構成する固体電解質には、上記ポリエチレンカーボネート系固体電解質が使用される。
(1)正極
正極としては、正極活物質が含まれていれば特に限定されない。正極活物質としては、マグネシウムイオンを可逆的に挿入・脱離することができるものであればよく、例えば、フッ化黒鉛((CF)n)、二酸化マンガン(MnO2)等のマンガン酸化物、五酸化ニバナジウム(V25)等のバナジウム酸化物、硫黄及び硫黄化合物、マグネシウム銅酸化物(MgxCuyz)、マグネシウム鉄酸化物(MgxFeyz)、シェブレル化合物等が挙げられる。
(Magnesium um ion secondary battery)
A magnesium- um ion secondary battery includes a positive electrode and a negative electrode as a pair of electrodes, and a solid electrolyte located between the pair of electrodes. The above-mentioned polyethylene carbonate type solid electrolyte is used for the solid electrolyte which constitutes a battery.
(1) Positive Electrode The positive electrode is not particularly limited as long as it contains a positive electrode active material. The positive electrode active material may be any material as long as it can reversibly insert and remove magnesium ions, for example, manganese oxides such as fluorinated graphite ((CF) n ) and manganese dioxide (MnO 2 ), Vanadium oxides such as vanadium pentoxide (V 2 O 5 ), sulfur and sulfur compounds, magnesium copper oxide (Mg x Cu y O z ), magnesium iron oxide (Mg x Fe y O z ), chevrel compounds, etc. Can be mentioned.

正極には導電材が含まれていてもよい。導電材としては、特に限定されず、アセチレンブラック(AB)、デンカブラック、ケッチェンブラック等のカーボンブラックやカーボンナノチューブ、天然黒鉛、人工黒鉛、気相成長カーボンファィバ(VGCF)等の二次電池の分野で導電材として使用されている炭素材料が挙げられる。また、ポリフッ化ビニリデンのような結着材が含まれていてもよい。
正極は、集電体を備えていてもよい。集電体としては、例えば、アルミニウム板、金板、白金板等が挙げられる。
The positive electrode may contain a conductive material. The conductive material is not particularly limited, and the field of secondary batteries such as carbon black such as acetylene black (AB), denka black, ketjen black, carbon nanotubes, natural graphite, artificial graphite, vapor grown carbon fiber (VGCF), etc. Carbon materials used as conductive materials in the In addition, a binder such as polyvinylidene fluoride may be included.
The positive electrode may include a current collector. Examples of the current collector include an aluminum plate, a gold plate, and a platinum plate.

(2)負極
負極としては、負極活物質が含まれていれば特に限定されない。負極活物質としては、マグネシウムイオンを供給することができればよく、金属マグネシウム、各種マグネシウム合金等が挙げられる。
負極には、正極と同様、導電材や結着材が含まれていてもよい。また、負極は、正極と同様、集電体を備えていてもよい。この集電体には金属マグネシウムやマグネシウム合金も使用でき、その場合、負極活物質は集電体も兼ねることになる。
(2) Negative Electrode The negative electrode is not particularly limited as long as it contains a negative electrode active material. As a negative electrode active material, it is sufficient if magnesium ions can be supplied, and metal magnesium, various magnesium alloys and the like can be mentioned.
Similar to the positive electrode, the negative electrode may contain a conductive material and a binder. In addition, the negative electrode may be provided with a current collector as in the case of the positive electrode. Metal magnesium or a magnesium alloy can also be used for the current collector, in which case the negative electrode active material will also serve as the current collector.

(3)二次電池の製造方法
二次電池の製造方法としては、特に限定されず、正極又は負極上に固体電解質を載置し、残りの負極又は正極を固体電解質上に載置する方法が挙げられる。また、正極、固体電解質及び負極を1単位とし、これを複数単位積層することで、二次電池の容量や電圧を向上させることも可能である。
正極、固体電解質及び負極からなる単位は、二次電池の取扱性を向上させるために、金属製の缶により封止されていてもよく、樹脂製の袋により封止されていてもよい。
(3) Method of Manufacturing Secondary Battery The method of manufacturing the secondary battery is not particularly limited, and the method of placing the solid electrolyte on the positive electrode or the negative electrode and placing the remaining negative electrode or the positive electrode on the solid electrolyte is It can be mentioned. In addition, it is also possible to improve the capacity and voltage of the secondary battery by stacking a plurality of units of the positive electrode, the solid electrolyte, and the negative electrode as one unit and laminating the plurality of units.
The unit consisting of the positive electrode, the solid electrolyte and the negative electrode may be sealed by a metal can or may be sealed by a resin bag in order to improve the handleability of the secondary battery.

以下、実施例によって本発明を更に具体的に説明するが、本発明はこれらによりなんら制限されるものではない。
実施例1
(ポリエチレンカーボネートの製造)
攪拌機、窒素ガス導入管、温度計、還流冷却管を備えた300mL容の四つ口フラスコに、酸化亜鉛8.1g(100ミリモル)、グルタル酸12.7g(96ミリモル)、酢酸0.1g(2ミリモル)及びトルエン130g(150mL)を仕込んだ。次に、反応系内を窒素雰囲気に置換した後、55℃まで昇温し、同温度で4時間攪拌して反応させた。その後、110℃まで昇温し、さらに同温度で4時間攪拌して共沸脱水させ、水分のみを除去した後、室温まで冷却して、有機亜鉛触媒を含む反応液を得た。
この反応液の一部を分取し、ろ過して得た有機亜鉛触媒について、IRを測定(サーモニコレージャパン社製、商品名:AVATAR360)した結果、カルボン酸基に基づくピークは認められなかった。
Hereinafter, the present invention will be more specifically described by way of examples, but the present invention is not limited thereto.
Example 1
(Production of polyethylene carbonate)
In a 300 mL four-necked flask equipped with a stirrer, nitrogen gas inlet tube, thermometer, and reflux condenser, 8.1 g (100 mmol) of zinc oxide, 12.7 g (96 mmol) of glutaric acid, 0.1 g of acetic acid 2 mmol) and 130 g (150 mL) of toluene were charged. Next, the inside of the reaction system was replaced with a nitrogen atmosphere, the temperature was raised to 55 ° C., and the mixture was reacted by stirring at the same temperature for 4 hours. Thereafter, the temperature was raised to 110 ° C., and stirring was carried out at the same temperature for 4 hours to carry out azeotropic dehydration to remove only water, followed by cooling to room temperature to obtain a reaction liquid containing an organozinc catalyst.
As a result of measuring IR (Thermo Nicolet Japan company make, brand name: AVATAR 360) about the organic zinc catalyst obtained by fractionating a part of this reaction liquid and filtering, the peak based on a carboxylic acid group was not recognized .

攪拌機、ガス導入管、温度計を備えた1L容のオートクレーブの系内をあらかじめ窒素雰囲気に置換した後、上記有機亜鉛触媒を含む反応液8.0mL(有機亜鉛触媒を1.0g含む)、ヘキサン131g(200mL)、エチレンオキシド35.2g(0.80モル)を仕込んだ。次に、攪拌下、反応系内が1.5MPaとなるまで二酸化炭素を充填した。その後、60℃に昇温し、反応により消費される二酸化炭素を補給しながら6時間重合反応を行なった。
反応終了後、オートクレーブを冷却して脱圧し、ろ過した後、減圧乾燥してポリエチレンカーボネート68.4gを得た。
The inside of a 1 L autoclave equipped with a stirrer, a gas inlet tube and a thermometer is previously replaced with a nitrogen atmosphere, and then 8.0 mL of the reaction liquid containing the above organozinc catalyst (containing 1.0 g of the organozinc catalyst), hexane 131 g (200 mL) and 35.2 g (0.80 mol) of ethylene oxide were charged. Next, while stirring, carbon dioxide was charged until the inside of the reaction system reached 1.5 MPa. Thereafter, the temperature was raised to 60 ° C., and the polymerization reaction was carried out for 6 hours while supplying carbon dioxide consumed by the reaction.
After completion of the reaction, the autoclave was cooled, depressurized, filtered and dried under reduced pressure to obtain 68.4 g of polyethylene carbonate.

得られたポリエチレンカーボネートは、下記の物性を有することから同定することができた。
IR(KBr):1740、1447、1386、1217、1029、785(単位は全てcm-1
また、得られたポリエチレンカーボネートの数平均分子量は、67700であった。
The obtained polyethylene carbonate could be identified by having the following physical properties.
IR (KBr): 1740, 1447, 1386, 1217, 1029, 785 (all in cm -1 )
Moreover, the number average molecular weight of the obtained polyethylene carbonate was 67,700.

(固体電解質の製造)
上記ポリエチレンカーボネート(PEC)100重量部をアセトニトリル1000重量部に溶解したPEC溶液を7つ作製した。得られた7つのPEC溶液のそれぞれに、マグネシウムビストリフルオロメタンスルホニルアミド(Mg(TFSA)2)を、10重量部、30重量部、50重量部、70重量部、80重量部、100重量部及び120重量部溶解して固体電解質形成用溶液を得た。固体電解質形成用溶液を18mmの深さ、直径41mmの円形状底面を有する容器に流し込み、常圧下、60℃でアセトニトリルを除去することで、7つの固体電解質を得た。得られた固体電解質は、Mg(TFSA)2の含有量にかかわらず、透明な自立膜であった。
(Manufacture of solid electrolyte)
Seven PEC solutions were prepared by dissolving 100 parts by weight of the above polyethylene carbonate (PEC) in 1000 parts by weight of acetonitrile. In each of the seven PEC solutions obtained, 10 parts by weight, 30 parts by weight, 50 parts by weight, 70 parts by weight, 80 parts by weight, 100 parts by weight of magnesium bistrifluoromethanesulfonylamide (Mg (TFSA) 2 ) 120 parts by weight was dissolved to obtain a solution for forming a solid electrolyte. Seven solid electrolytes were obtained by pouring the solution for solid electrolyte formation into the container which has a circular-shaped bottom with a depth of 18 mm, and a diameter of 41 mm, and removing acetonitrile at 60 degreeC under a normal pressure. The obtained solid electrolyte was a transparent free standing film regardless of the content of Mg (TFSA) 2 .

得られた固体電解質の内、Mg(TFSA)2含有量が10重量部、50重量部、80重量部及び100重量部のもののDSC曲線を図1(最下の曲線はPECのみのもの)に、50重量部、80重量部及び100重量部のもののラマンスペクトルを図2(PECのみ及びMg(TFSA)2のみのラマンスペクトルも併せて示す)に、80重量部のもののインピーダンスプロットを図3(一対のSUSに挟んで測定)に、50重量部、80重量部及び100重量部のものの導電率の温度依存性を図4に、60℃での導電率及び活性化エネルギーとMg(TFSA)2の含有量との関係を図5に示す。 Among the obtained solid electrolytes, the DSC curves of those with a content of 10 parts by weight, 50 parts by weight, 80 parts by weight and 80 parts by weight of Mg (TFSA) 2 are shown in FIG. The Raman spectra of 50 parts by weight, 80 parts by weight and 100 parts by weight are shown in FIG. 2 (the Raman spectra of PEC only and Mg (TFSA) 2 alone are also shown together), and the impedance plot of 80 parts by weight is shown in FIG. Figure 4 shows the temperature dependence of the conductivity of 50 parts by weight, 80 parts by weight and 100 parts by weight between a pair of SUSs), conductivity and activation energy at 60 ° C, and Mg (TFSA) 2 The relationship with the content of is shown in FIG.

図1では、Mg(TFSA)2の含有量の増加によるDSC曲線の変化は観察されないことから、固体電解質のTgは急激に上昇しないと理解される。
図2では、固体電解質中のTFSAのピーク(741cm-1付近)が、Mg(TFSA)2のみのピークより短波長側にシフトしていることが示されている。このことからこれは固体電解質中でMg(TFSA)2がMg2+イオンとTFSA-イオンとに解離して存在していると推定される。このMg2+イオンが導電率の向上に寄与していると考えられる。
In FIG. 1, it is understood that the Tg of the solid electrolyte does not rise sharply, since the change of the DSC curve due to the increase of the content of Mg (TFSA) 2 is not observed.
FIG. 2 shows that the peak of TFSA (around 741 cm −1 ) in the solid electrolyte is shifted to a shorter wavelength side than the peak of Mg (TFSA) 2 alone. From this, it is estimated that Mg (TFSA) 2 is dissociated into Mg 2+ ion and TFSA ion in the solid electrolyte. It is believed that this Mg 2+ ion contributes to the improvement of the conductivity.

図3では、低周波数側にイオンブロッキング挙動由来のスパイクが示されており、固体電解質がイオン伝導体であることが分かる。
図4では、Mg(TFSA)2の含有量が80重量部の固体電解質が、50重量部及び100重量部のものより、どの温度域でも高い導電率を有することが示されている。
図5では、導電率及び活性化エネルギーがピークを示すMg(TFSA)2の含有量の範囲が存在することが示されている。
In FIG. 3, the spike derived from the ion blocking behavior is shown on the low frequency side, and it can be seen that the solid electrolyte is an ion conductor.
In FIG. 4, it is shown that the solid electrolyte having a content of Mg (TFSA) 2 of 80 parts by weight has higher conductivity in any temperature range than those of 50 parts by weight and 100 parts by weight.
It is shown in FIG. 5 that there is a range of Mg (TFSA) 2 content at which the conductivity and activation energy show peaks.

実施例2
実施例1と同様にして、Mg(TFSA)2を80重量部含む固体電解質形成用溶液を得た。得られた溶液に、無機固体電解質材料であるMg0.7(Zr0.85Nb0.154624で表されるマグネシウムの無機塩を混合して、混合液を得た(PEC:無機塩=60:40(体積比))。得られた混合液を実施例1と同様にしてアセトニトリルを除去することで、固体電解質を得た。
Example 2
In the same manner as in Example 1, a solution for forming a solid electrolyte containing 80 parts by weight of Mg (TFSA) 2 was obtained. A mixed solution was obtained by mixing the obtained solution with an inorganic salt of magnesium represented by Mg 0.7 (Zr 0.85 Nb 0.15 ) 4 P 6 O 24 which is an inorganic solid electrolyte material (PEC: inorganic salt = 60 : 40 (volume ratio)). A solid electrolyte was obtained by removing acetonitrile from the obtained mixture in the same manner as in Example 1.

なお、Mg0.7(Zr0.85Nb0.154624は、次の手順で作製した。即ち、MgHPO4・3H2OとZrO(NH32・2H2OとNb25とNH42PO4とをモル比0.7:3.4:0.3:5.3で混合し、次いで、空気中、300℃で5時間熱処理した。熱処理後、ペレット状に加圧成形した。得られたペレットを、空気中、1200℃で12時間熱処理することで、Mg0.7(Zr0.85Nb0.154624を得た。Mg0.7(Zr0.85Nb0.154624であることはXRDパターンを測定することにより確認した。
なお、Mg0.7(Zr0.85Nb0.154624の作製は、N. Imanaka et al., Electrochem. Solid-State Lett., 3 (2000) 327.に記載された内容を参照しつつ行った。
Mg 0.7 (Zr 0.85 Nb 0.15 ) 4 P 6 O 24 was produced by the following procedure. That is, the molar ratio of MgHPO 4. 3 H 2 O, ZrO (NH 3 ) 2. 2 H 2 O, Nb 2 O 5 and NH 4 H 2 PO 4 is 0.7: 3.4: 0.3: 5.3. And then heat treated in air at 300 ° C. for 5 hours. After heat treatment, it was pressure-formed into pellets. The obtained pellet was heat treated in air at 1200 ° C. for 12 hours to obtain Mg 0.7 (Zr 0.85 Nb 0.15 ) 4 P 6 O 24 . It was confirmed by measuring the XRD pattern that it was Mg 0.7 (Zr 0.85 Nb 0.15 ) 4 P 6 O 24 .
The preparation of Mg 0.7 (Zr 0.85 Nb 0.15 ) 4 P 6 O 24 was carried out with reference to the contents described in N. Imanaka et al., Electrochem. Solid-State Lett., 3 (2000) 327. The

得られた固体電解質のXRDパターンを図6(Mg0.7(Zr0.85Nb0.154624のみ及びMg0.7(Zr0.85Nb0.154624を含まないMg(TFSA)2を80重量部含む固体電解質のみパターンも併せて示す)に、インピーダンスプロットを図7(一対のSUSに挟んで80℃で測定)に、導電率の温度依存性を図8に示す。 The XRD pattern of the obtained solid electrolyte is shown in FIG. 6 by using Mg (TFSA) 2 containing 80 (Mg 0.7 (Zr 0.85 Nb 0.15 ) 4 P 6 O 24 only and Mg 0.7 (Zr 0.85 Nb 0.15 ) 4 P 6 O 24 The impedance plot is shown in FIG. 7 (measured at 80 ° C. between a pair of SUSs) and the temperature dependence of the conductivity is shown in FIG.

図6では、実施例2の固体電解質のパターンが、Mg0.7(Zr0.85Nb0.154624のみパターンと、Mg0.7(Zr0.85Nb0.154624を含まないMg(TFSA)2を80重量部含む固体電解質のみパターンとを合わせたものに対応しており、ピークの移動が見られなかったことから、Mg0.7(Zr0.85Nb0.154624は変化していないことが分かる。
図7では、低周波数側にイオンブロッキング挙動由来のスパイクが示されており、固体電解質がイオン伝導体であることが分かる。
図8では、Mg0.7(Zr0.85Nb0.154624を含むことで、未含有の固体電解質より導電率が低下するものの、Mg0.7(Zr0.85Nb0.154624焼結体と比べて約4桁高い導電率を示すことが分かる。
In FIG. 6, the pattern of the solid electrolyte of Example 2 is the pattern of Mg 0.7 (Zr 0.85 Nb 0.15 ) 4 P 6 O 24 only, and Mg 0.7 (Zr 0.85 Nb 0.15 ) 4 P 6 O 24 not containing Mg (TFSA) ) 2 only solid electrolyte comprising 80 parts by weight corresponds to a combination of the pattern, since the movement of the peak was not observed, Mg 0.7 (Zr 0.85 Nb 0.15 ) 4 P 6 O 24 has been changed I understand that there is not.
In FIG. 7, the spike derived from the ion blocking behavior is shown on the low frequency side, and it can be seen that the solid electrolyte is an ion conductor.
In FIG. 8, although the conductivity is lowered by containing Mg 0.7 (Zr 0.85 Nb 0.15 ) 4 P 6 O 24 compared to the non-containing solid electrolyte, Mg 0.7 (Zr 0.85 Nb 0.15 ) 4 P 6 O 24 sintering It can be seen that the conductivity is about four orders of magnitude higher than the body.

Claims (4)

ポリエチレンカーボネート100重量部と電解質塩としてのマグネシウムの有機塩40〜100重量部とを含み、
前記マグネシウムの有機塩が、マグネシウムビストリフルオロメタンスルホニルアミド、マグネシウムビス(フルオロスルホニル)イミド、マグネシウムトリフルオロメタンスルホン酸、マグネシウムビスペンタフルオロエタンスルホニルアミド、マグネシウムビスオキサラトホウ酸及びマグネシウムジフルオロ〔トリフルオロ−2−オキシド−2−トリフルオロ−メチルプロピオナト(2−)−0,0〕ホウ酸から選択されるマグネシウムイオン二次電池用のポリエチレンカーボネート系固体電解質。
100 parts by weight of polyethylene carbonate and the organic salt 40 to 100 parts by weight of magnesium as an electrolyte salt seen including,
The organic salt of magnesium is magnesium bis trifluoromethane sulfonylamide, magnesium bis (fluoro sulfonyl) imide, magnesium trifluoro methane sulfonic acid, magnesium bis penta fluoro ethane sulfonyl amide, magnesium bis oxalato boric acid and magnesium difluoro [trifluoro -2- trifluoro [trifluoro -2-] Polyethylene carbonate-based solid electrolyte for magnesium ion secondary battery selected from oxide-2-trifluoro-methyl propionato (2-)-0,0] boric acid .
前記ポリエチレンカーボネートが、5千〜100万の数平均分子量を有する請求項に記載のポリエチレンカーボネート系固体電解質。 The polyethylene carbonate-based solid electrolyte according to claim 1 , wherein the polyethylene carbonate has a number average molecular weight of 5,000 to 1,000,000. 前記マグネシウムの有機塩が、マグネシウムビストリフルオロメタンスルホニルアミドであり、前記ポリエチレンカーボネート100重量部に対して、40〜100重量部含まれる請求項1又は2に記載のポリエチレンカーボネート系固体電解質。 The polyethylene carbonate-based solid electrolyte according to claim 1 or 2 , wherein the organic salt of magnesium is magnesium bistrifluoromethanesulfonylamide, and is contained in an amount of 40 to 100 parts by weight with respect to 100 parts by weight of the polyethylene carbonate. 一対の電極としての正極及び負極と、前記一対の電極間に位置する固体電解質とを備え、前記固体電解質が、請求項1〜のいずれか1つに記載のポリエチレンカーボネート系固体電解質であることを特徴とするマグネシウムイオン二次電池。 A positive electrode and a negative electrode as a pair of electrodes, and a solid electrolyte positioned between the pair of electrodes, wherein the solid electrolyte is the polyethylene carbonate-based solid electrolyte according to any one of claims 1 to 3. Magnesium ion secondary battery characterized by
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