JP6974099B2 - Secondary battery - Google Patents

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Description

本開示は、二次電池に関する。 The present disclosure relates to a secondary battery.

トリオキソトリアンギュレンは、縮合多環構造を有する有機ラジカル化合物である。この有機ラジカル化合物は、開殻電子構造を有するにもかかわらず、電子スピンが25π共役系全体に非局在化しており、室温中や空気中でも取り扱えるほど安定である。したがって、トリオキソトリアンギュレン及びその誘導体は、その特異な電気化学的特性から、電子機器への応用が期待される化合物の1つである。
例えば、特許文献1には、(COONa)−トリオキソトリアンギュレン又は(COOLi)−トリオキソトリアンギュレンをナトリウムイオン電池用活物質又はリチウムイオン電池用活物質とする技術が開示されている。
Trioxotriangulene is an organic radical compound having a condensed polycyclic structure. Although this organic radical compound has an open-shell electronic structure, the electron spin is delocalized in the entire 25π conjugated system, and it is stable enough to be handled at room temperature or in the air. Therefore, trioxotriangulene and its derivatives are one of the compounds expected to be applied to electronic devices due to their unique electrochemical properties.
For example, Patent Document 1 discloses a technique for using (COONa) 3- trioxotriangulene or (COOLi) 3- trioxotriangulene as an active material for a sodium ion battery or an active material for a lithium ion battery. There is.

特開2015−230830号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2015-230830

特許文献1に開示された実施例においては、電極層中に、導電化材としてアセチレンブラックが使用され、バインダとしてポリフッ化ビニリデン(PVdF)が使用されている。しかし、これらの添加剤を含む分、電極層に占める活物質の割合が減るため、エネルギー密度が低いという問題がある。
本開示は上記実情を鑑みて成し遂げられたものであり、本開示の目的は、添加剤を含まない活物質のみの電極層を用いて充放電可能な二次電池を提供することである。
In the examples disclosed in Patent Document 1, acetylene black is used as the conductive material and polyvinylidene fluoride (PVdF) is used as the binder in the electrode layer. However, since the proportion of the active material in the electrode layer is reduced by the amount containing these additives, there is a problem that the energy density is low.
The present disclosure has been accomplished in view of the above circumstances, and an object of the present disclosure is to provide a secondary battery capable of charging and discharging using an electrode layer containing only an active material containing no additives.

本開示の二次電池は、正極、電解質層及び負極を含む積層体を備える二次電池であって、前記正極及び負極のうち少なくともいずれか1つは、下記式(1)に示されるトリオキソトリアンギュレン中性ラジカル化合物が、該トリオキソトリアンギュレン中性ラジカル化合物のπ平面が前記積層体の積層方向に対し垂直となる配向を有する薄膜を、活物質層として含むことを特徴とする。 The secondary battery of the present disclosure is a secondary battery including a laminate including a positive electrode, an electrolyte layer and a negative electrode, and at least one of the positive electrode and the negative electrode is a trioxo represented by the following formula (1). The trioxotriangulene neutral radical compound is characterized by including, as an active material layer, a thin film having an orientation in which the π plane of the trioxotriangulene neutral radical compound is perpendicular to the stacking direction of the laminate. ..

Figure 0006974099

(上記式(1)中、Xは水素、ハロゲンまたは1価の有機基から選ばれ、互いに同一でも異なっていても良い。また、上記式(1)中、実線及び破線からなる二重線は非局在化した二重結合を表しており、黒丸で示される不対電子は、この非局在化した二重結合中に存在する。)
Figure 0006974099

(In the above formula (1), X is selected from hydrogen, halogen or a monovalent organic group, and may be the same or different from each other. Further, in the above formula (1), the double line consisting of a solid line and a broken line is used. It represents a delocalized double bond, and the unpaired electron indicated by the black circle is present in this delocalized double bond.)

本開示によれば、前記トリオキソトリアンギュレン中性ラジカル化合物のπ平面が前記積層体の積層方向に対し垂直となる配向を有する薄膜を活物質層として含むため、添加剤を含まない活物質のみの電極層を用いて充放電可能な二次電池が得られる。 According to the present disclosure, since the active material layer contains a thin film having an orientation in which the π plane of the trioxotriangulene neutral radical compound is perpendicular to the stacking direction of the laminated body, the active material does not contain additives. A secondary battery that can be charged and discharged can be obtained by using only the electrode layer.

本開示の二次電池の層構成の一例を示す図であって、積層方向に切断した断面を模式的に示した図である。It is a figure which shows an example of the layer structure of the secondary battery of this disclosure, and is the figure which schematically shows the cross section cut in the stacking direction. 製造例1に係るトリオキソトリアンギュレン(以下、「HTOT」と称する場合がある。)中性ラジカル薄膜の走査型電子顕微鏡(SEM)断面像である。It is a scanning electron microscope (SEM) cross-sectional image of a trioxotriangulene (hereinafter, may be referred to as “H 3 TOT”) neutral radical thin film according to Production Example 1. 製造例1に係るHTOT中性ラジカル薄膜のOut−of−Plane XRDスペクトルである。It is an Out-of-Plane XRD spectrum of the H 3 TOT neutral radical thin film according to Production Example 1. 製造例1に係るHTOT中性ラジカル薄膜のIn−Plane XRDスペクトルである。It is an In-Plane XRD spectrum of the H 3 TOT neutral radical thin film which concerns on Production Example 1. FIG. 実施例1の二次電池の充放電曲線を重ねて示したグラフである。It is a graph which showed the charge / discharge curve of the secondary battery of Example 1 superimposed. トリオキソトリアンギュレン中性ラジカル化合物(以下、「TOT化合物」と称する場合がある。)のπ平面が、積層体の積層方向に平行となる二次電池の断面模式図である。FIG. 3 is a schematic cross-sectional view of a secondary battery in which the π plane of a trioxotriangulene neutral radical compound (hereinafter, may be referred to as “TOT compound”) is parallel to the stacking direction of the laminated body. 比較製造例1に係るHTOT中性ラジカル薄膜の走査型電子顕微鏡(SEM)断面像である。It is a scanning electron microscope (SEM) cross-sectional image of the H 3 TOT neutral radical thin film which concerns on Comparative Production Example 1. FIG. 比較製造例1に係るHTOT中性ラジカル薄膜のOut−of−Plane XRDスペクトルである。It is an Out-of-Plane XRD spectrum of the H 3 TOT neutral radical thin film according to Comparative Production Example 1. 比較製造例1に係るHTOT中性ラジカル薄膜のIn−Plane XRDスペクトルである。It is an In-Plane XRD spectrum of the H 3 TOT neutral radical thin film which concerns on Comparative Production Example 1. FIG. 比較例1の二次電池の充放電曲線を重ねて示したグラフである。It is the graph which showed the charge / discharge curve of the secondary battery of the comparative example 1 superimposed.

本開示の二次電池は、正極、電解質層及び負極を含む積層体を備える二次電池であって、前記正極及び負極のうち少なくともいずれか1つは、下記式(1)に示されるトリオキソトリアンギュレン中性ラジカル化合物が、該トリオキソトリアンギュレン中性ラジカル化合物のπ平面が前記積層体の積層方向に対し垂直となる配向を有する薄膜を、活物質層として含むことを特徴とする。 The secondary battery of the present disclosure is a secondary battery including a laminate including a positive electrode, an electrolyte layer and a negative electrode, and at least one of the positive electrode and the negative electrode is a trioxo represented by the following formula (1). The trioxotriangulene neutral radical compound is characterized by including, as an active material layer, a thin film having an orientation in which the π plane of the trioxotriangulene neutral radical compound is perpendicular to the stacking direction of the laminate. ..

Figure 0006974099
(上記式(1)中、Xは水素、ハロゲンまたは1価の有機基から選ばれ、互いに同一でも異なっていても良い。また、上記式(1)中、実線及び破線からなる二重線は非局在化した二重結合を表しており、黒丸で示される不対電子は、この非局在化した二重結合中に存在する。)
Figure 0006974099
(In the above formula (1), X is selected from hydrogen, halogen or a monovalent organic group, and may be the same or different from each other. Further, in the above formula (1), the double line consisting of a solid line and a broken line is used. It represents a delocalized double bond, and the unpaired electron indicated by the black circle is present in this delocalized double bond.)

図1は、本開示の二次電池の層構成の一例を示す図であって、積層方向に切断した断面を模式的に示した図である。本開示の一実施形態である二次電池は、負極1、正極2、及び電解質層3を含む積層体10を備える。図1に示すように、電解質層3の一方の面に負極1が存在し、電解質層3の他方の面に正極2が存在する。また、積層体10は、正極2が正極活物質層2A及び正極集電体2Bを備える。そして、正極活物質層2Aには、TOT化合物2aが含まれる。なお、本開示の二次電池は、必ずしもこの例のみに限定されるものではない。 FIG. 1 is a diagram showing an example of the layer structure of the secondary battery of the present disclosure, and is a diagram schematically showing a cross section cut in the stacking direction. The secondary battery according to the embodiment of the present disclosure includes a laminate 10 including a negative electrode 1, a positive electrode 2, and an electrolyte layer 3. As shown in FIG. 1, the negative electrode 1 is present on one surface of the electrolyte layer 3, and the positive electrode 2 is present on the other surface of the electrolyte layer 3. Further, in the laminated body 10, the positive electrode 2 includes a positive electrode active material layer 2A and a positive electrode current collector 2B. The positive electrode active material layer 2A contains the TOT compound 2a. The secondary battery of the present disclosure is not necessarily limited to this example.

1.正極
本開示においては、下記式(1)に示されるTOT化合物の薄膜が、電極層(正極及び負極のうち少なくともいずれか1つ)に含まれる。TOT化合物の薄膜は、正極側の活物質層(正極活物質層)として含まれていてもよいし、後述するように、負極側の活物質層(負極活物質層)として含まれていてもよい。
1. 1. Positive Electrode In the present disclosure, a thin film of the TOT compound represented by the following formula (1) is included in the electrode layer (at least one of a positive electrode and a negative electrode). The thin film of the TOT compound may be contained as an active material layer on the positive electrode side (positive electrode active material layer), or may be contained as an active material layer on the negative electrode side (negative electrode active material layer) as described later. good.

Figure 0006974099
上記式(1)中、Xは水素、ハロゲンまたは1価の有機基から選ばれ、互いに同一でも異なっていても良い。また、上記式(1)中、実線及び破線からなる二重線は非局在化した二重結合を表しており、黒丸(●)で示される不対電子は、この非局在化した二重結合中に存在する。
Figure 0006974099
In the above formula (1), X is selected from hydrogen, halogen or a monovalent organic group, and may be the same as or different from each other. Further, in the above equation (1), the double line consisting of the solid line and the broken line represents the delocalized double bond, and the unpaired electron indicated by the black circle (●) is the delocalized two. Present in a double bond.

上記式(1)に示すTOT化合物は、市販品であってもよいし、予め合成したものであってもよい。TOT化合物の合成方法は、例えば、上記特許文献1に記載のトリオキソトリアンギュレン誘導体の合成方法を応用することができる他、公知技術を適宜参照することができる。 The TOT compound represented by the above formula (1) may be a commercially available product or a pre-synthesized product. As a method for synthesizing a TOT compound, for example, the method for synthesizing a trioxotriangulene derivative described in Patent Document 1 can be applied, and publicly known techniques can be appropriately referred to.

本開示においては基材が使用されていてもよい。ここで、基材とは、少なくとも成膜中においてTOT化合物薄膜を支持し得る部材である。TOT化合物薄膜は、TOT化合物が基材の少なくとも一方の面上に堆積する結果として形成されてもよい。
基材は、積層体の積層方向、すなわち、正極、電解質層及び負極が積み重なる方向に対し、垂直な面方向を有していてもよい。この場合、基材上に成膜されたTOT化合物薄膜の膜厚方向は、積層体の積層方向に平行となる。
基材は、二次電池1つにつき1つのみ含まれていてもよく、二次電池1つにつき2以上の基材が含まれていてもよい。二次電池中に2以上の基材が含まれる場合には、これらの基材の面方向は同一又は平行であることが好ましい。また、基材は、二次電池中の1つの部材のみに含まれていてもよく、二次電池中の異なる部材にそれぞれ含まれていてもよい。
A substrate may be used in the present disclosure. Here, the base material is a member that can support the TOT compound thin film at least during film formation. The TOT compound thin film may be formed as a result of the TOT compound depositing on at least one surface of the substrate.
The base material may have a plane direction perpendicular to the stacking direction of the laminated body, that is, the direction in which the positive electrode, the electrolyte layer, and the negative electrode are stacked. In this case, the film thickness direction of the TOT compound thin film formed on the substrate is parallel to the laminating direction of the laminated body.
Only one base material may be contained in one secondary battery, or two or more base materials may be contained in one secondary battery. When two or more base materials are contained in the secondary battery, it is preferable that the plane directions of these base materials are the same or parallel. Further, the base material may be contained in only one member in the secondary battery, or may be contained in different members in the secondary battery.

図1は、正極2が基材として正極集電体2Bを備え、正極集電体2Bの一方の面上に、TOT化合物2aを含む正極活物質層2Aが形成されている様子を示す。正極集電体の材料としては、例えばステンレススチール、アルミニウム、銅、ニッケル、鉄、チタン及びカーボン等を挙げることができる。
図1に示す実施形態以外の例としては、固体電解質層を基材とし、固体電解質層の少なくとも一方の面上にTOT化合物を含む正極活物質層が形成されている例が挙げられる。
FIG. 1 shows a state in which the positive electrode 2 is provided with the positive electrode current collector 2B as a base material, and the positive electrode active material layer 2A containing the TOT compound 2a is formed on one surface of the positive electrode current collector 2B. Examples of the material of the positive electrode current collector include stainless steel, aluminum, copper, nickel, iron, titanium and carbon.
Examples other than the embodiment shown in FIG. 1 include an example in which a solid electrolyte layer is used as a base material and a positive electrode active material layer containing a TOT compound is formed on at least one surface of the solid electrolyte layer.

以下、TOT化合物の配向方向について考察する。
図4は、TOT化合物のπ平面が積層方向に平行となる二次電池の断面模式図である。図4中の積層体20は、TOT化合物2aの向き以外は、図1中の積層体10と同じ構成である。なお、図1及び図4において、TOT化合物2aを示す楕円の長径方向はπ平面方向を意味し、当該楕円の短径方向はπ平面に垂直な方向を意味するものとする。図4においては、当該楕円の長径方向が、正極2’、電解質層3及び負極1が積み重なる方向(積層方向)に平行であり、これは、TOT化合物2aのπ平面が積層体20の積層方向に対し平行であることを意味する。
積層体20は、正極活物質層2A’中に、π平面が積層方向に対し平行となるようにTOT化合物2aを含む。これは、TOT化合物2aのπ平面が、基材(正極集電体2B等)の面方向に対して垂直な配向であることを意味する。基材に対するこのような配向を、以下、edge−on配向という。
後述する実施例において示すように、このようなedge−on配向を有するTOT化合物2aの薄膜は、レート特性に劣り、かつエネルギー密度も低い(比較例1)。その理由は以下の通りである。TOT化合物は、そのπ平面に垂直な分子スタック方向の導電性に優れる一方、そのπ平面に平行な方向の導電性は劣る。このため、edge−on配向を有するTOT化合物薄膜は、その積層体の積層方向に平行な導電性に劣るため、レート特性に劣る。また、その導電性の低さのためにTOT化合物薄膜の膜厚を厚くできない結果、当該薄膜のエネルギー密度を高くすることは難しい。
Hereinafter, the orientation direction of the TOT compound will be considered.
FIG. 4 is a schematic cross-sectional view of a secondary battery in which the π plane of the TOT compound is parallel to the stacking direction. The laminate 20 in FIG. 4 has the same configuration as the laminate 10 in FIG. 1 except for the orientation of the TOT compound 2a. In FIGS. 1 and 4, the major axis direction of the ellipse showing the TOT compound 2a means the π plane direction, and the minor axis direction of the ellipse means the direction perpendicular to the π plane. In FIG. 4, the major axis direction of the ellipse is parallel to the direction in which the positive electrode 2', the electrolyte layer 3 and the negative electrode 1 are stacked (stacking direction), in which the π plane of the TOT compound 2a is the stacking direction of the laminate 20. It means that it is parallel to.
The laminate 20 contains the TOT compound 2a in the positive electrode active material layer 2A'so that the π plane is parallel to the lamination direction. This means that the π plane of the TOT compound 2a is oriented perpendicular to the plane direction of the base material (positive electrode current collector 2B, etc.). Such orientation with respect to the substrate is hereinafter referred to as edge-on orientation.
As shown in Examples described later, the thin film of TOT compound 2a having such an edge-on orientation is inferior in rate characteristics and has a low energy density (Comparative Example 1). The reason is as follows. The TOT compound is excellent in conductivity in the direction of the molecular stack perpendicular to its π plane, while it is inferior in conductivity in the direction parallel to its π plane. Therefore, the TOT compound thin film having the edge-on orientation is inferior in the conductivity parallel to the laminating direction of the laminated body, and thus inferior in the rate characteristics. Further, it is difficult to increase the energy density of the TOT compound thin film as a result of being unable to increase the film thickness of the TOT compound thin film due to its low conductivity.

これに対し、図1は、TOT化合物のπ平面が積層方向に垂直となる二次電池の断面模式図である。図1においては、TOT化合物2aを示す楕円の長径方向が、正極2、電解質層3及び負極1が積み重なる方向(積層方向)に平行であり、これは、TOT化合物2aのπ平面が積層体10の積層方向に垂直であることを意味する。なお、図1に示すのはあくまで本開示の実施形態の1つにすぎず、本開示はこの実施形態のみに限定されるものではない。例えば、TOT化合物2aの大きさと、正極活物質層2Aの厚さは、図1に示す態様に限られない。
積層体10は、正極活物質層2A中に、π平面が積層方向に対し垂直となるようにTOT化合物2aを含む。これは、TOT化合物2aのπ平面が、基材(正極集電体2B等)の面方向に対して平行な配向であることを意味する。基材に対するこのような配向を、以下、face−on配向という。
後述する実施例において示すように、このようなface−on配向を有するTOT化合物2aの薄膜は、レート特性に優れ、かつ高いエネルギー密度を有する(実施例1)。その理由の詳細は明らかではないが、おそらく、TOT化合物のπ平面同士の重なり合い(π−πスタッキング)を利用して、電子及びイオンがスムーズに導通することにより、正極活物質層2A中において優れたイオン伝導性と導電性が両立するためであると推測される。
On the other hand, FIG. 1 is a schematic cross-sectional view of a secondary battery in which the π plane of the TOT compound is perpendicular to the stacking direction. In FIG. 1, the major axis direction of the ellipse showing the TOT compound 2a is parallel to the direction in which the positive electrode 2, the electrolyte layer 3 and the negative electrode 1 are stacked (stacking direction), in which the π plane of the TOT compound 2a is the laminated body 10. It means that it is perpendicular to the stacking direction of. It should be noted that FIG. 1 shows only one of the embodiments of the present disclosure, and the present disclosure is not limited to this embodiment. For example, the size of the TOT compound 2a and the thickness of the positive electrode active material layer 2A are not limited to the embodiments shown in FIG.
The laminate 10 contains the TOT compound 2a in the positive electrode active material layer 2A so that the π plane is perpendicular to the lamination direction. This means that the π plane of the TOT compound 2a is oriented parallel to the plane direction of the substrate (positive electrode current collector 2B or the like). Such orientation with respect to the substrate is hereinafter referred to as face-on orientation.
As shown in Examples described later, the thin film of TOT compound 2a having such face-on orientation has excellent rate characteristics and high energy density (Example 1). Although the details of the reason are not clear, it is probably excellent in the positive electrode active material layer 2A by smoothly conducting electrons and ions by utilizing the overlap (π-π stacking) between the π planes of the TOT compound. It is presumed that this is because both ionic conductivity and conductivity are compatible.

上記の通り、特許文献1には、トリオキソトリアンギュレン誘導体を電池用活物質とする技術が開示されている。しかし、当該文献には、トリオキソトリアンギュレン誘導体の薄膜を電極活物質層とする旨の記載や示唆は一切ない。これは、従来技術の水準において、トリオキソトリアンギュレン誘導体の薄膜は、カーボン等の導電化材やバインダ等を含んでいないため導電性が低く、その結果、得られる電池のレート特性に課題があると考えられていたことによる。
二次電池においてレート特性を向上させるためには、活物質層中におけるイオン伝導性と導電性を両立させることが必要である。一般的に、芳香族化合物を含む薄膜において、π平面が薄膜の面方向に対し平行となるように当該芳香族化合物が配向した場合、当該薄膜は、膜厚方向におけるイオン伝導性に劣ると考えられている。しかし、このような従来の技術常識に反し、本研究者らは、上記式(1)に示されるTOT化合物のπ平面が、積層体の積層方向に対し垂直となる配向を有する薄膜を活物質層として用いることにより、優れたイオン伝導性と導電性を両立させることが可能なことを見出した。
As described above, Patent Document 1 discloses a technique for using a trioxotriangulene derivative as an active material for a battery. However, there is no description or suggestion in the document that the thin film of the trioxotriangulene derivative is used as the electrode active material layer. This is because, at the level of the prior art, the thin film of the trioxotriangulene derivative has low conductivity because it does not contain a conductive material such as carbon or a binder, and as a result, there is a problem in the rate characteristics of the obtained battery. Because it was thought to be.
In order to improve the rate characteristics in the secondary battery, it is necessary to achieve both ionic conductivity and conductivity in the active material layer. Generally, in a thin film containing an aromatic compound, when the aromatic compound is oriented so that the π plane is parallel to the plane direction of the thin film, the thin film is considered to be inferior in ionic conductivity in the film thickness direction. Has been done. However, contrary to such conventional conventional wisdom, the present researchers use a thin film having an orientation in which the π plane of the TOT compound represented by the above formula (1) is perpendicular to the stacking direction of the laminated body. It has been found that by using it as a layer, it is possible to achieve both excellent ionic conductivity and conductivity.

TOT化合物の薄膜を基材表面に堆積させる方法は、特に限定されず、例えば、真空蒸着法等が挙げられる。
TOT化合物のπ平面が積層体の積層方向に対し垂直となるように制御する方法は、特に限定されない。例えば、真空蒸着法によりTOT化合物の薄膜を基材表面に形成する場合には、TOT化合物のπ平面と相互作用が生じやすい基材を選ぶことにより、当該π平面を基材に対してface−on配向させることができる。
ここで、TOT化合物のπ平面と相互作用が生じやすい基材としては、例えば、グラファイトシートが挙げられる。真空蒸着の初期段階において、グラファイトシートの有する炭素六角網面の一部がTOT化合物のπ平面とπ−π相互作用を起こす結果、π平面の向きがグラファイトシートの面方向に平行となるようにTOT化合物が1分子蒸着する。その1分子の上から次々とTOT化合物分子が蒸着する結果、得られる薄膜は、π平面が積層体の積層方向に対し垂直となるようにTOT化合物が積み重なったものとなる。
グラファイトシート以外の基材としては、例えば、グラフェン膜、多層グラフェン膜、グラフェン膜又は多層グラフェン膜を表面に形成させたポリマーフィルム、グラフェン膜又は多層グラフェン膜を表面に形成させた金属箔等が挙げられる。
The method for depositing a thin film of the TOT compound on the surface of the substrate is not particularly limited, and examples thereof include a vacuum vapor deposition method.
The method for controlling the π plane of the TOT compound to be perpendicular to the stacking direction of the laminated body is not particularly limited. For example, when a thin film of a TOT compound is formed on the surface of a base material by a vacuum vapor deposition method, the π plane is face-based on the base material by selecting a base material that easily interacts with the π plane of the TOT compound. Can be oriented on.
Here, as a base material that easily interacts with the π plane of the TOT compound, for example, a graphite sheet can be mentioned. In the initial stage of vacuum deposition, a part of the carbon hexagonal network surface of the graphite sheet causes π-π interaction with the π plane of the TOT compound, so that the orientation of the π plane is parallel to the plane direction of the graphite sheet. One molecule of TOT compound is deposited. As a result of vapor deposition of TOT compound molecules one after another from the top of the one molecule, the obtained thin film is formed by stacking TOT compounds so that the π plane is perpendicular to the stacking direction of the laminated body.
Examples of the base material other than the graphite sheet include a graphene film, a multilayer graphene film, a polymer film having a graphene film or a multilayer graphene film formed on the surface, a metal foil having a graphene film or a multilayer graphene film formed on the surface, and the like. Be done.

TOT化合物の薄膜を基材表面に堆積させる方法の具体例は、以下の通りである。まず、TOT化合物を容器に加えて真空蒸着機内にセットする。次に、適切な厚さの基材を、その表面が前記容器と向かい合うように配置する。このとき、TOT化合物の堆積量が均一となるように、基材を水平に配置することが好ましい。続いて、真空蒸着機内を減圧し、さらに容器を加熱することにより、TOT化合物の薄膜を基材表面に堆積させることができる。 Specific examples of the method of depositing a thin film of the TOT compound on the surface of the substrate are as follows. First, the TOT compound is added to the container and set in the vacuum vapor deposition machine. Next, a substrate of appropriate thickness is placed so that its surface faces the container. At this time, it is preferable to arrange the base material horizontally so that the amount of the TOT compound deposited is uniform. Subsequently, the inside of the vacuum vapor deposition machine is depressurized and the container is further heated, so that a thin film of the TOT compound can be deposited on the surface of the substrate.

TOT化合物の薄膜の配向性は、例えば、XRD分析のOut−of−Plane測定及びIn−Plane測定により確認することができる。ここで、XRD分析のOut−of−Plane測定とは、基材の面方向に対して平行な結晶格子面を評価する測定である。一方、XRD分析のIn−Plane測定とは、基材の面方向に対して垂直な結晶格子面を評価する測定である。 The orientation of the thin film of the TOT compound can be confirmed, for example, by the Out-of-Plane measurement and the In-Plane measurement of the XRD analysis. Here, the Out-of-Plane measurement of the XRD analysis is a measurement for evaluating a crystal lattice plane parallel to the plane direction of the substrate. On the other hand, the In-Plane measurement of the XRD analysis is a measurement for evaluating a crystal lattice plane perpendicular to the plane direction of the substrate.

TOT化合物のface−on配向は、(a)Out−of−Plane XRDスペクトルにおいて、π−πスタッキングにより形成されるTOT化合物のπ平面の積層に由来するピーク(以下、このピークをピークAと称する。)が観測されること、及び(b)In−Plane XRDスペクトルにおいて、TOT化合物のπ−πスタッキングにより形成される一次元カラム構造のパッキングにおける、当該一次元カラム構造の延伸方向に対して略垂直な方向の周期構造に由来するピーク(以下、このピークをピークBと称する。)が観測されること、により確認することができる。これら(a)と(b)は少なくともいずれか一方が確認できればよく、(a)と(b)は両方確認できることが好ましい。例えば、後述する図2BにおいてはピークAが観測され、図2CにおいてはピークBが観測される。
一方、TOT化合物のedge−on配向は、(c)In−Plane XRDスペクトルにおいてピークAが観測されることにより確認することができる。例えば、後述する図5C(In−Plane XRDスペクトル)においては、ピークAが観測される。ただし、後述するHTOT中性ラジカル薄膜(比較製造例1)ではOut−of−Plane XRDスペクトルにおいてピークが観測されない(図5B参照)。したがって、当該薄膜における積層方向の周期性(結晶性)は低いものと考えられる。また、TOT化合物のface−on配向及びedge−on配向について、統一的な見解は得られていない。なお、HTOTと基材との間の相互作用が弱い場合、得られるHTOT中性ラジカル薄膜がedge−on配向となる傾向があるため、HTOT中性ラジカル薄膜はface−on配向しにくい傾向があると考えられる。
The face-on orientation of the TOT compound is (a) a peak derived from the stacking of the π planes of the TOT compound formed by π-π stacking in the Out-of-Plane XRD spectrum (hereinafter, this peak is referred to as peak A). ) Is observed, and (b) in the packing of the one-dimensional column structure formed by π-π stacking of the TOT compound in the In-Plane XRD spectrum, substantially with respect to the stretching direction of the one-dimensional column structure. It can be confirmed by observing a peak derived from the periodic structure in the vertical direction (hereinafter, this peak is referred to as peak B). It is sufficient that at least one of these (a) and (b) can be confirmed, and it is preferable that both (a) and (b) can be confirmed. For example, peak A is observed in FIG. 2B, which will be described later, and peak B is observed in FIG. 2C.
On the other hand, the edge-on orientation of the TOT compound can be confirmed by (c) observation of peak A in the In-Plane XRD spectrum. For example, in FIG. 5C (In-Plane XRD spectrum) described later, peak A is observed. However, in the H 3 TOT neutral radical thin film (Comparative Production Example 1) described later, no peak is observed in the Out-of-Plane XRD spectrum (see FIG. 5B). Therefore, it is considered that the periodicity (crystallinity) in the stacking direction of the thin film is low. Moreover, no unified view has been obtained regarding the face-on orientation and the edge-on orientation of the TOT compound. When the interaction between the H 3 TOT and the substrate is weak, the obtained H 3 TOT neutral radical thin film tends to have an edge-on orientation, so that the H 3 TOT neutral radical thin film is face-on. It is thought that it tends to be difficult to orient.

TOT化合物が後述する負極活物質である場合、正極活物質として一般的な活物質を用いることができる。このような正極活物質としては、例えば、LiCoO、LiMnO、LiNiO、LiVO、LiNi1/3Co1/3Mn1/3等の岩塩層状型活物質、LiMn、Li(Ni0.5Mn1.5)O等のスピネル型活物質、LiFePO、LiMnPO、LiNiPO、LiCoPO等のオリビン型活物質等を挙げることができる。 When the TOT compound is a negative electrode active material described later, a general active material can be used as the positive electrode active material. Examples of such positive electrode active materials include rock salt layered active materials such as LiCoO 2 , LiMnO 2 , LiNiO 2 , LiVO 2 , LiNi 1/3 Co 1/3 Mn 1/3 O 2 , and LiMn 2 O 4 . Examples thereof include spinel-type active materials such as Li (Ni 0.5 Mn 1.5 ) O 4 and olivine-type active materials such as LiFePO 4 , LiMnPO 4 , LiNiPO 4 , and LiCoPO 4.

正極活物質層は、正極活物質以外の材料、例えば、導電化材、バインダ及び固体電解質材料のうち少なくともいずれか一つを含んでいてもよい。ただし、正極活物質層として、前記TOT化合物の薄膜を含む場合には、正極活物質層は正極活物質以外の材料を含まないことが好ましい。
導電化材の材料としては、所望の導電性を有するものであれば特に限定されるものではないが、例えば炭素材料を挙げることができる。さらに、炭素材料としては、具体的には、アセチレンブラック、ケッチェンブラック、カーボンブラック、コークス、炭素繊維、黒鉛、カーボンナノチューブを挙げることができる。
バインダの材料としては、化学的、電気的に安定なものであれば特に限定されるものではないが、例えばポリフッ化ビニリデン(PVDF)、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)等のフッ素系結着剤、及び、スチレンブタジエンゴム等のゴム系結着剤等を挙げることができる。
固体電解質材料としては、所望のイオン伝導性を有するものであれば特に限定されるものではないが、例えば、酸化物固体電解質材料、硫化物固体電解質材料を挙げることができる。なお、固体電解質材料の具体例として、後述する「3.電解質層」において述べる材料を採用できる。
The positive electrode active material layer may contain at least one of materials other than the positive electrode active material, for example, a conductive material, a binder and a solid electrolyte material. However, when the positive electrode active material layer contains a thin film of the TOT compound, it is preferable that the positive electrode active material layer does not contain any material other than the positive electrode active material.
The material of the conductive material is not particularly limited as long as it has a desired conductivity, and examples thereof include a carbon material. Further, specific examples of the carbon material include acetylene black, ketjen black, carbon black, coke, carbon fiber, graphite, and carbon nanotubes.
The material of the binder is not particularly limited as long as it is chemically and electrically stable, but for example, a fluorine-based binder such as polyvinylidene fluoride (PVDF) and polytetrafluoroethylene (PTFE). In addition, rubber-based binders such as styrene-butadiene rubber can be mentioned.
The solid electrolyte material is not particularly limited as long as it has desired ionic conductivity, and examples thereof include an oxide solid electrolyte material and a sulfide solid electrolyte material. As a specific example of the solid electrolyte material, the material described in "3. Electrolyte layer" described later can be adopted.

正極活物質層における正極活物質の含有量は、容量の観点からは多いことが好ましく、例えば60質量%〜100質量%の範囲内、中でも70質量%〜100質量%の範囲内であることが好ましい。また、正極活物質層の厚さは、電池の構成によって大きく異なるものであるが、例えば0.1μm〜1000μmの範囲内であることが好ましい。 The content of the positive electrode active material in the positive electrode active material layer is preferably large from the viewpoint of volume, and is, for example, in the range of 60% by mass to 100% by mass, particularly in the range of 70% by mass to 100% by mass. preferable. The thickness of the positive electrode active material layer varies greatly depending on the battery configuration, but is preferably in the range of, for example, 0.1 μm to 1000 μm.

2.負極
本開示においては、TOT化合物の薄膜が負極活物質層であってもよい。この場合、TOT化合物の薄膜の特性やその配向性は、正極活物質がTOT化合物である場合と同様である。負極集電体が基材となり、TOT化合物の薄膜が負極集電体の少なくとも一方の面上に堆積していてもよい。負極集電体の材料としては、例えばステンレススチール、アルミニウム、銅、ニッケル、鉄、チタン及びカーボン等を挙げることができる。また、固体電解質層が基材となり、TOT化合物の薄膜が固体電解質層の少なくとも一方の面上に堆積していてもよい。
一方、TOT化合物が正極活物質である場合、負極活物質として一般的な活物質を用いることができる。この場合、負極活物質として、上述したTOT化合物や正極活物質よりも電位が低い活物質を用いる必要がある。負極活物質としては、リチウム金属、リチウム合金、リチウム元素を含有する金属酸化物、リチウム元素を含有する金属硫化物、リチウム元素を含有する金属窒化物、リチウムイオンをドープした炭素材料を用いることが好ましい。
2. 2. Negative electrode In the present disclosure, the thin film of the TOT compound may be the negative electrode active material layer. In this case, the characteristics of the thin film of the TOT compound and its orientation are the same as when the positive electrode active material is the TOT compound. The negative electrode current collector may be a base material, and a thin film of the TOT compound may be deposited on at least one surface of the negative electrode current collector. Examples of the material of the negative electrode current collector include stainless steel, aluminum, copper, nickel, iron, titanium and carbon. Further, the solid electrolyte layer may be used as a base material, and a thin film of the TOT compound may be deposited on at least one surface of the solid electrolyte layer.
On the other hand, when the TOT compound is a positive electrode active material, a general active material can be used as the negative electrode active material. In this case, as the negative electrode active material, it is necessary to use an active material having a lower potential than the above-mentioned TOT compound or positive electrode active material. As the negative electrode active material, a lithium metal, a lithium alloy, a metal oxide containing a lithium element, a metal sulfide containing a lithium element, a metal nitride containing a lithium element, and a carbon material doped with lithium ions can be used. preferable.

負極活物質層における負極活物質の含有量は、容量の観点からは多いことが好ましく、例えば60質量%〜100質量%の範囲内、中でも70質量%〜100質量%の範囲内であることが好ましい。また、負極活物質層の厚さは、電池の構成によって大きく異なるものであるが、例えば0.1μm〜1,000μmの範囲内であることが好ましい。 The content of the negative electrode active material in the negative electrode active material layer is preferably large from the viewpoint of capacity, and is, for example, in the range of 60% by mass to 100% by mass, particularly in the range of 70% by mass to 100% by mass. preferable. The thickness of the negative electrode active material layer varies greatly depending on the battery configuration, but is preferably in the range of, for example, 0.1 μm to 1,000 μm.

3.電解質層
本開示における電解質層は、正極及び負極の間に存在する層である。電解質層に含まれる電解質を介して、正極活物質と負極活物質との間のイオン伝導が進行する。
電解質層は、それ自体が基材となっていてもよく、又は基材を備えていてもよい。電解質層自体が基材となる例としては、前記TOT化合物の薄膜が一方の面上に形成された固体電解質層が挙げられる。この場合、当該薄膜は正極活物質層又は負極活物質層として機能する。
電解質層の形態は、特に限定されるものではなく、液体電解質層、ゲル電解質層、固体電解質層等を挙げることができる。
3. 3. Electrolyte layer The electrolyte layer in the present disclosure is a layer existing between a positive electrode and a negative electrode. Ion conduction between the positive electrode active material and the negative electrode active material proceeds through the electrolyte contained in the electrolyte layer.
The electrolyte layer may itself be a base material or may be provided with a base material. An example in which the electrolyte layer itself is a base material is a solid electrolyte layer in which a thin film of the TOT compound is formed on one surface. In this case, the thin film functions as a positive electrode active material layer or a negative electrode active material layer.
The form of the electrolyte layer is not particularly limited, and examples thereof include a liquid electrolyte layer, a gel electrolyte layer, and a solid electrolyte layer.

液体電解質層は、通常、非水電解液を用いてなる層である。非水電解液は、通常、リチウム塩および非水溶媒を含有する。リチウム塩としては、例えばLiPF、LiBF、LiClO、LiAsF等の無機リチウム塩、およびLiCFSO、LiN(CFSO、LiN(CSO、LiC(CFSO等の有機リチウム塩等を挙げることができる。非水溶媒としては、例えばエチレンカーボネート(EC)、プロピレンカーボネート(PC)、ジメチルカーボネート(DMC)、ジエチルカーボネート(DEC)、エチルメチルカーボネート(EMC)、ブチレンカーボネート(BC)、γ−ブチロラクトン、スルホラン、アセトニトリル、1,2−ジメトキシメタン、1,3−ジメトキシプロパン、ジエチルエーテル、テトラヒドロフラン、2−メチルテトラヒドロフランおよびこれらの混合物等を挙げることができる。非水電解液におけるリチウム塩の濃度は、例えば0.5mol/L〜3mol/Lの範囲内である。 The liquid electrolyte layer is usually a layer made of a non-aqueous electrolyte solution. The non-aqueous electrolyte usually contains a lithium salt and a non-aqueous solvent. Examples of the lithium salt include inorganic lithium salts such as LiPF 6 , LiBF 4 , LiClO 4 , and LiAsF 6 , LiCF 3 SO 3 , LiN (CF 3 SO 2 ) 2 , LiN (C 2 F 5 SO 2 ) 2 , and LiC. (CF 3 SO 2 ) Organic lithium salts such as 3 and the like can be mentioned. Examples of the non-aqueous solvent include ethylene carbonate (EC), propylene carbonate (PC), dimethyl carbonate (DMC), diethyl carbonate (DEC), ethylmethyl carbonate (EMC), butylene carbonate (BC), γ-butyrolactone, sulfolane, and the like. Examples thereof include acetonitrile, 1,2-dimethoxymethane, 1,3-dimethoxypropane, diethyl ether, tetrahydrofuran, 2-methyltetrahydrofuran and mixtures thereof. The concentration of the lithium salt in the non-aqueous electrolytic solution is, for example, in the range of 0.5 mol / L to 3 mol / L.

ゲル電解質層は、例えば、非水電解液にポリマーを添加してゲル化することで得ることができる。具体的には、非水電解液に、ポリエチレンオキシド(PEO)、ポリアクリルニトリル(PAN)またはポリメチルメタクリレート(PMMA)等のポリマーを添加することにより、ゲル化を行うことができる。 The gel electrolyte layer can be obtained, for example, by adding a polymer to a non-aqueous electrolytic solution and gelling. Specifically, gelation can be performed by adding a polymer such as polyethylene oxide (PEO), polyacrylic nitrile (PAN) or polymethyl methacrylate (PMMA) to the non-aqueous electrolytic solution.

固体電解質層は、固体電解質材料を用いてなる層である。固体電解質材料は、非晶質であっても良く、結晶質であっても良い。固体電解質材料としては、例えば、酸化物固体電解質材料および硫化物固体電解質材料を挙げることができる。Liイオン伝導性を有する酸化物固体電解質材料としては、例えば、Li1+xAlGe2−x(PO(0≦x≦2)、Li1+xAlTi2−x(PO(0≦x≦2)、LiLaTiO(例えば、Li0.34La0.51TiO)、LiPON(例えば、Li2.9PO3.30.46)、LiLaZrO(例えば、LiLaZr12)等を挙げることができる。一方、Liイオン伝導性を有する硫化物固体電解質材料としては、例えば、LiS−P化合物、LiS−SiS化合物、LiS−GeS化合物等を挙げることができる。 The solid electrolyte layer is a layer made of a solid electrolyte material. The solid electrolyte material may be amorphous or crystalline. Examples of the solid electrolyte material include an oxide solid electrolyte material and a sulfide solid electrolyte material. Examples of the oxide solid electrolyte material having Li ion conductivity include Li 1 + x Al x Ge 2-x (PO 4 ) 3 (0 ≦ x ≦ 2) and Li 1 + x Al x Ti 2-x (PO 4 ) 3. (0 ≦ x ≦ 2), LiLaTIO (eg, Li 0.34 La 0.51 TiO 3 ), LiPON (eg, Li 2.9 PO 3.3 N 0.46 ), LiLaZrO (eg, Li 7 La 3). Zr 2 O 12 ) and the like can be mentioned. On the other hand, the sulfide solid electrolyte material having Li ion conductivity, for example, can be cited Li 2 S-P 2 S 5 compound, Li 2 S-SiS 2 compound, a Li 2 S-GeS 2 compounds.

電解質層の厚さは、電解質の種類および電池の構成によって大きく異なるものであるが、例えば0.1μm〜1000μmの範囲内、中でも0.1μm〜300μmの範囲内であることが好ましい。 The thickness of the electrolyte layer varies greatly depending on the type of electrolyte and the configuration of the battery, but is preferably in the range of, for example, 0.1 μm to 1000 μm, particularly preferably in the range of 0.1 μm to 300 μm.

4.その他
本開示の二次電池は、正極及び負極の間に、セパレータを備えていても良い。より安全性の高い電池を得ることができるからである。
本開示の二次電池の形状としては、例えば、コイン型、ラミネート型、円筒型および角型等を挙げることができる。また、二次電池の製造方法は、特に限定されるものではなく、一般的な二次電池における製造方法と同様である。
4. Others The secondary battery of the present disclosure may include a separator between the positive electrode and the negative electrode. This is because a safer battery can be obtained.
Examples of the shape of the secondary battery of the present disclosure include a coin type, a laminated type, a cylindrical type, a square type, and the like. The method for manufacturing the secondary battery is not particularly limited, and is the same as the manufacturing method for a general secondary battery.

1.HTOT中性ラジカル薄膜の作製
[製造例1]
(1)トリオキソトリアンギュレン中性ラジカルの合成
容器に、2,3−ジクロロ−5,6−ジシアノ−p−ベンゾキノン(1.61g)、及び溶媒としてジクロロメタン(120mL)を加えた。さらに、この容器に、トリオキソトリアンギュレン(HTOT)のテトラブチルアンモニウム塩(2.00g)をジクロロメタン(120mL)に溶かした溶液を滴下し、室温で1時間攪拌した。容器中の析出物を吸引ろ過し、得られた固体を塩化メチレン及びテトラヒドロフランで洗浄した後、真空乾燥させた結果、トリオキソトリアンギュレン中性ラジカル(上記式(1)中のXがいずれも水素であるラジカル)が得られた(収量:1.00g)。以下、この中性ラジカルをHTOT中性ラジカルという場合がある。
1. 1. Fabrication of H 3 TOT Neutral Radical Thin Film [Production Example 1]
(1) Synthesis of trioxotriangulene neutral radical 2,3-dichloro-5,6-dicyano-p-benzoquinone (1.61 g) and dichloromethane (120 mL) as a solvent were added to the container. Further, a solution prepared by dissolving tetrabutylammonium salt (2.00 g) of trioxotriangulene (H 3 TOT) in dichloromethane (120 mL) was added dropwise to this container, and the mixture was stirred at room temperature for 1 hour. The precipitate in the container was suction-filtered, and the obtained solid was washed with methylene chloride and tetrahydrofuran and then vacuum-dried. As a result, all of the trioxotriangulene neutral radicals (X in the above formula (1)) A radical that is hydrogen) was obtained (yield: 1.00 g). Hereinafter, this neutral radical may be referred to as an H 3 TOT neutral radical.

(2)真空蒸着による薄膜の作製
グラファイトシート(厚さ:25μm)をポリイミドテープでガラス板に貼り付け、このグラファイトシートを基材とした。
上記HTOT中性ラジカル(109mg)を、直径10mmのアルミナるつぼに入れ、このアルミナるつぼを真空蒸着機内にセットした。また、グラファイトシート基材を、そのグラファイト面がアルミナるつぼと向かい合い、かつそのグラファイト面が水平となるように設置した。その後、真空蒸着機内を2×10−3Paに減圧し、抵抗加熱によってアルミナるつぼを加熱することにより、HTOT中性ラジカルの薄膜をグラファイトシート基材表面に真空蒸着した。
(2) Preparation of thin film by vacuum deposition A graphite sheet (thickness: 25 μm) was attached to a glass plate with polyimide tape, and this graphite sheet was used as a base material.
The above H 3 TOT neutral radical (109 mg) was placed in an alumina crucible having a diameter of 10 mm, and the alumina crucible was set in a vacuum vapor deposition machine. Further, the graphite sheet base material was installed so that the graphite surface faced the alumina crucible and the graphite surface was horizontal. Then, the inside of the vacuum vapor deposition machine was depressurized to 2 × 10 -3 Pa, and the alumina crucible was heated by resistance heating to vacuum-deposit a thin film of H 3 TOT neutral radicals on the surface of the graphite sheet substrate.

図2Aは、製造例1に係るHTOT中性ラジカル薄膜の走査型電子顕微鏡(SEM)断面像である。図2Aの下部は基材であるグラファイトを示し、その上は全てHTOT中性ラジカル薄膜を示す。図2Aより、HTOT中性ラジカル薄膜の平均膜厚は800nmである。 FIG. 2A is a scanning electron microscope (SEM) cross-sectional image of the H 3 TOT neutral radical thin film according to Production Example 1. The lower part of FIG. 2A shows graphite as a base material, and the upper part shows all H 3 TOT neutral radical thin films. From FIG. 2A, the average film thickness of the H 3 TOT neutral radical thin film is 800 nm.

[比較製造例1]
上記製造例1と同様に、HTOT中性ラジカルを合成した。
アルミ箔表面に酸化インジウムスズ(ITO)を100nmの膜厚でスパッタリング成膜した。このITO薄膜を基材とした。
上記HTOT中性ラジカル(101mg)を、直径10mmのアルミナるつぼに入れ、このアルミナるつぼを真空蒸着機内にセットした。ITO基材を、そのITO面がアルミナるつぼと向かい合い、かつそのITO面が水平となるように設置した。その後、真空蒸着機内を2×10−3Paに減圧し、抵抗加熱によってアルミナるつぼを加熱することにより、HTOT中性ラジカルの薄膜をITO基材表面に真空蒸着した。
[Comparative Manufacturing Example 1]
The H 3 TOT neutral radical was synthesized in the same manner as in Production Example 1 above.
Indium tin oxide (ITO) was sputtered on the surface of the aluminum foil to a film thickness of 100 nm. This ITO thin film was used as a base material.
The above H 3 TOT neutral radical (101 mg) was placed in an alumina crucible having a diameter of 10 mm, and the alumina crucible was set in a vacuum vapor deposition machine. The ITO base material was installed so that the ITO surface faced the alumina crucible and the ITO surface was horizontal. Then, the inside of the vacuum vapor deposition machine was depressurized to 2 × 10 -3 Pa, and the alumina crucible was heated by resistance heating to vacuum-deposit a thin film of H 3 TOT neutral radicals on the surface of the ITO substrate.

図5Aは、比較製造例1に係るHTOT中性ラジカル薄膜の走査型電子顕微鏡(SEM)断面像である。図5Aの下部は基材であるITOを示し、その上は全てHTOT中性ラジカル薄膜を示す。図5Aより、HTOT中性ラジカル薄膜の平均膜厚は800nmである。 FIG. 5A is a scanning electron microscope (SEM) cross-sectional image of the H 3 TOT neutral radical thin film according to Comparative Production Example 1. The lower part of FIG. 5A shows ITO as a base material, and the upper part shows all H 3 TOT neutral radical thin films. From FIG. 5A, the average film thickness of the H 3 TOT neutral radical thin film is 800 nm.

[参考製造例1]
上記製造例1で合成したHTOT中性ラジカル(0.66mg)を、直径10mmのアルミナるつぼに入れ、このアルミナるつぼを真空蒸着機内にセットした。また、基材となるガラス基板を、そのガラス基板面がアルミナるつぼと向かい合い、かつそのガラス基板面が水平となるように設置した。その後、真空蒸着機内を2×10−3Paに減圧し、抵抗加熱によってアルミナるつぼを加熱することにより、HTOT中性ラジカルの薄膜をガラス基板表面に真空蒸着した。
このHTOT中性ラジカル薄膜はXRD測定よりedge−on配向を取ることが明らかとなった。すなわち、基板に対してHTOTのπ平面が垂直になるように、HTOTの微結晶が基板上で集合体を形成している。
さらに、HTOT中性ラジカル薄膜上に金を真空蒸着して金電極の櫛形パターンを形成した後、150℃で5時間アニーリングを行った。段差計により測定したHTOT中性ラジカル薄膜の膜厚は237nmであった。薄膜の電気伝導度を櫛形電極で測定したところ、2.5×10−2S/cmであった。
[Reference manufacturing example 1]
The H 3 TOT neutral radical (0.66 mg) synthesized in Production Example 1 was placed in an alumina crucible having a diameter of 10 mm, and the alumina crucible was set in a vacuum vapor deposition machine. Further, the glass substrate as a base material was installed so that the glass substrate surface faced the alumina crucible and the glass substrate surface was horizontal. Then, the inside of the vacuum vapor deposition machine was depressurized to 2 × 10 -3 Pa, and the alumina crucible was heated by resistance heating to vacuum-deposit a thin film of H 3 TOT neutral radicals on the surface of the glass substrate.
It was clarified from the XRD measurement that this H 3 TOT neutral radical thin film had an edge-on orientation. That is, the microcrystals of H 3 TOT form an aggregate on the substrate so that the π plane of H 3 TOT is perpendicular to the substrate.
Further, gold was vacuum-deposited on the H 3 TOT neutral radical thin film to form a comb-shaped pattern of gold electrodes, and then annealing was performed at 150 ° C. for 5 hours. The film thickness of the H 3 TOT neutral radical thin film measured by a step meter was 237 nm. When the electric conductivity of the thin film was measured with a comb-shaped electrode, it was 2.5 × 10 -2 S / cm.

[参考製造例2]
上記製造例1で合成したHTOT中性ラジカル(6.6mg)を、直径10mmのアルミナるつぼに入れ、このアルミナるつぼを真空蒸着機内にセットした。また、ITOが0.2mm幅でパターニングされたガラス基板(基材)を、そのガラス基板面がアルミナるつぼと向かい合い、かつそのガラス基板面が水平となるように設置した。その後、真空蒸着機内を2×10−3Paに減圧し、抵抗加熱によってアルミナるつぼを加熱することにより、HTOT中性ラジカルの薄膜をガラス基板表面に真空蒸着した。
このHTOT中性ラジカル薄膜はXRD測定よりedge−on配向を取ることが明らかとなった。
さらに、HTOT中性ラジカル薄膜上にITOと直角になるように金を0.2mm幅で真空蒸着した後、150℃で5時間アニーリングを行った。段差計により測定したHTOT中性ラジカル薄膜の膜厚は2.15μmであった。ITO−Au電極間の電気伝導度を櫛形電極で測定したところ、6.0×10−5S/cmであった。
[Reference manufacturing example 2]
The H 3 TOT neutral radical (6.6 mg) synthesized in Production Example 1 was placed in an alumina crucible having a diameter of 10 mm, and the alumina crucible was set in a vacuum vapor deposition machine. Further, a glass substrate (base material) in which ITO was patterned with a width of 0.2 mm was installed so that the glass substrate surface faced the alumina crucible and the glass substrate surface was horizontal. Then, the inside of the vacuum vapor deposition machine was depressurized to 2 × 10 -3 Pa, and the alumina crucible was heated by resistance heating to vacuum-deposit a thin film of H 3 TOT neutral radicals on the surface of the glass substrate.
It was clarified from the XRD measurement that this H 3 TOT neutral radical thin film had an edge-on orientation.
Further, gold was vacuum-deposited on the H 3 TOT neutral radical thin film with a width of 0.2 mm so as to be perpendicular to ITO, and then annealed at 150 ° C. for 5 hours. The film thickness of the H 3 TOT neutral radical thin film measured by a step meter was 2.15 μm. The electrical conductivity between the ITO-Au electrodes was measured with a comb-shaped electrode and found to be 6.0 × 10 -5 S / cm.

2.薄膜のXRD分析
製造例1及び比較製造例1に係るHTOT中性ラジカル薄膜について、Out−of−Plane測定、及びIn−Plane測定による各XRD分析を行い、薄膜の配向性を調べた。
詳細な測定条件は以下の通りである。
X線回折測定装置 SmartLab(リガク製)
測定範囲 2θ=2〜60°
測定間隔 0.02°
走査速度 1°/min
測定電圧 45kV
測定電流 200mA
2. 2. For H 3 TOT neutral radicals thin film according to XRD analysis Production Example 1 and Comparative Preparation Example 1 of a thin film, Out-of-Plane measurement, and performs the XRD analysis by In-Plane measured to examine the orientation of the film.
The detailed measurement conditions are as follows.
X-ray diffraction measuring device SmartLab (manufactured by Rigaku)
Measuring range 2θ = 2-60 °
Measurement interval 0.02 °
Scanning speed 1 ° / min
Measured voltage 45kV
Measurement current 200mA

図2Bは、製造例1に係るHTOT中性ラジカル薄膜のOut−of−Plane XRDスペクトルである。図2Bには、2θ=26.6°及び27.2°にそれぞれピークが現れている。このうち、2θ=27.2°のピークは、HTOT中性ラジカルのπ平面の積層に由来するピークである。また、2θ=26.6°の大きなピークは、基材のグラファイトシート(0001)面に由来する。図2Bには、2θ=9.5°付近にはピークがほとんど現れていない。
図2Cは、製造例1に係るHTOT中性ラジカル薄膜のIn−Plane XRDスペクトルである。図2Cには、2θ=9.8°、17.0°、19.5°及び26.0°にそれぞれピークが現れている。これらのピークは、いずれも、HTOT中性ラジカルのπ−πスタッキングにより形成される一次元カラム構造のパッキングにおける、当該一次元カラム構造の延伸方向に対して略垂直な方向の周期構造に由来するピークである。図2Cには、2θ=27.2°のピークもわずかに観測されるが、その強度は極めて小さい。
以上の考察より、製造例1に係る薄膜においては、TOT中性ラジカルのπ平面が、グラファイトシート基材の面方向に対して水平な配向(face−on配向)をとることが分かる。
FIG. 2B is an Out-of-Plane XRD spectrum of the H 3 TOT neutral radical thin film according to Production Example 1. In FIG. 2B, peaks appear at 2θ = 26.6 ° and 27.2 °, respectively. Of these, the peak at 2θ = 27.2 ° is a peak derived from the stacking of H 3 TOT neutral radicals in the π plane. Further, the large peak of 2θ = 26.6 ° is derived from the graphite sheet (0001) surface of the base material. In FIG. 2B, almost no peak appears near 2θ = 9.5 °.
FIG. 2C is an In-Plane XRD spectrum of the H 3 TOT neutral radical thin film according to Production Example 1. In FIG. 2C, peaks appear at 2θ = 9.8 °, 17.0 °, 19.5 ° and 26.0 °, respectively. All of these peaks have a periodic structure in a direction substantially perpendicular to the stretching direction of the one-dimensional column structure in the packing of the one-dimensional column structure formed by π-π stacking of H 3 TOT neutral radicals. It is the peak from which it is derived. In FIG. 2C, a peak of 2θ = 27.2 ° is also slightly observed, but its intensity is extremely small.
From the above discussion, it can be seen that in the thin film according to Production Example 1, the π plane of the TOT neutral radical has a horizontal orientation (face-on orientation) with respect to the plane direction of the graphite sheet substrate.

図5Bは、比較製造例1に係るHTOT中性ラジカル薄膜のOut−of−Plane XRDスペクトルである。図5Bには、ピークがほとんど現れていない。
図5Cは、比較製造例1に係るHTOT中性ラジカル薄膜のIn−Plane XRDスペクトルである。図5Cには、2θ=9.8°、17.0°、19.5°、26.0°及び27.2°にそれぞれピークが現れている。このうち、2θ=27.2°のピークは、HTOT中性ラジカルのπ平面の積層に由来するピークである。また、2θ=9.8°、17.0°、19.5°及び26.0°のピークは、いずれも、HTOT中性ラジカルのπ−πスタッキングにより形成される一次元カラム構造のパッキングにおける、当該一次元カラム構造の延伸方向に対して略垂直な方向の周期構造に由来するピークである。
以上の考察より、比較製造例1に係る薄膜においては、TOT中性ラジカルのπ平面が、ITO基材の面方向に対して垂直な配向(edge−on配向)をとることが分かる。
FIG. 5B is an Out-of-Plane XRD spectrum of the H 3 TOT neutral radical thin film according to Comparative Production Example 1. Almost no peak appears in FIG. 5B.
FIG. 5C is an In-Plane XRD spectrum of the H 3 TOT neutral radical thin film according to Comparative Production Example 1. In FIG. 5C, peaks appear at 2θ = 9.8 °, 17.0 °, 19.5 °, 26.0 ° and 27.2 °, respectively. Of these, the peak at 2θ = 27.2 ° is a peak derived from the stacking of H 3 TOT neutral radicals in the π plane. The peaks of 2θ = 9.8 °, 17.0 °, 19.5 ° and 26.0 ° are all one-dimensional column structures formed by π-π stacking of H 3 TOT neutral radicals. It is a peak derived from a periodic structure in the packing in a direction substantially perpendicular to the stretching direction of the one-dimensional column structure.
From the above discussion, it can be seen that in the thin film according to Comparative Production Example 1, the π plane of the TOT neutral radical has an orientation (edge-on orientation) perpendicular to the plane direction of the ITO substrate.

3.薄膜の電気伝導度測定
参考製造例1に係るHTOT中性ラジカル薄膜の電気伝導度、及び参考製造例2に係るHTOT中性ラジカル薄膜についてのITO−Au電極間の電気伝導度を測定した。
電気伝導度は二端子法で端子間に−1Vから1Vまでの電圧を掃引した際の電流を測定することにより求めた。電気伝導度の測定にはピコアンメータ(型番6487、ケースレーインスツルメンツ社製)を用いた。
3. 3. Measurement of electrical conductivity of thin film The electrical conductivity of the H 3 TOT neutral radical thin film according to Reference Manufacturing Example 1 and the electrical conductivity between the ITO-Au electrodes of the H 3 TOT neutral radical thin film according to Reference Manufacturing Example 2 are measured. It was measured.
The electrical conductivity was determined by measuring the current when a voltage from -1V to 1V was swept between the terminals by the two-terminal method. A picoammeter (model number 6487, manufactured by Keithley Instruments) was used to measure the electrical conductivity.

参考製造例2に係るITO−Au電極間の電気伝導度は、6.0×10−5S/cmである。これに対して、参考製造例1に係るHTOT中性ラジカル薄膜の電気伝導度は、2.5×10−2S/cmである。したがって、参考製造例1に係る薄膜の電気伝導度は、参考製造例2に係る薄膜の電気伝導度の420倍である。
ここで、参考製造例1の電気伝導の経路においては、基材に対して平行に存在する一次元カラム構造のみならず、抵抗となる粒界が数多く存在すると考えられる。このような粒界は、製造例1のHTOT中性ラジカル薄膜には存在しないと考えられる。したがって、製造例1の電気伝導度は参考製造例1の電気伝導度よりも大きいと予測される。
以上より、face−on配向の薄膜(製造例1)は、edge−on配向の薄膜(比較製造例1)よりも、少なくとも導電性が420倍高いといえる。
The electrical conductivity between the ITO and Au electrodes according to Reference Production Example 2 is 6.0 × 10 −5 S / cm. On the other hand, the electric conductivity of the H 3 TOT neutral radical thin film according to Reference Production Example 1 is 2.5 × 10 −2 S / cm. Therefore, the electric conductivity of the thin film according to Reference Production Example 1 is 420 times the electric conductivity of the thin film according to Reference Production Example 2.
Here, in the electrical conduction path of Reference Production Example 1, it is considered that not only the one-dimensional column structure existing parallel to the substrate but also many grain boundaries serving as resistance exist. It is considered that such grain boundaries do not exist in the H 3 TOT neutral radical thin film of Production Example 1. Therefore, the electrical conductivity of Production Example 1 is expected to be higher than that of Reference Production Example 1.
From the above, it can be said that the face-on oriented thin film (Production Example 1) is at least 420 times more conductive than the edge-on oriented thin film (Comparative Production Example 1).

XRD分析結果及び電気伝導度測定結果より、以下のことが分かる。
製造例1に係る薄膜は、基材としてグラファイトシートを用いている。そのため、グラファイトシートのπ平面、すなわち(0001)面上に、HTOT中性ラジカルのπ平面が水平配向しながら膜成長し、その結果、得られる薄膜はface−on配向となると考えられる。
その一方、比較製造例1に係る薄膜は、基材としてITOを用いている。そのため、当該薄膜と基材との間にface−on配向を生じさせる相互作用が存在しない結果、得られる薄膜はedge−on配向となると考えられる。他に考えられる理由は以下の通りである。ITO基材中の金属原子(インジウム又はスズ)が、HTOT中性ラジカル中の酸素と相互作用を起こすことにより、ITO基材表面に対しHTOT中性ラジカルのπ平面が垂直に立ち上がり、その状態のHTOT中性ラジカルを起点として膜成長が始まるため、得られる薄膜はedge−on配向となると考えられる。
このように、真空蒸着の際の基材を適切に選択することにより、得られる薄膜の配向性を制御できる結果、膜厚方向の導電性を飛躍的に向上させることができると考えられる。
The following can be seen from the XRD analysis results and the electrical conductivity measurement results.
The thin film according to Production Example 1 uses a graphite sheet as a base material. Therefore, it is considered that the film grows while the π plane of the H 3 TOT neutral radical is horizontally oriented on the π plane of the graphite sheet, that is, the (0001) plane, and as a result, the obtained thin film is face-on oriented.
On the other hand, the thin film according to Comparative Production Example 1 uses ITO as a base material. Therefore, it is considered that the obtained thin film has edge-on orientation as a result of the absence of the interaction that causes face-on orientation between the thin film and the base material. Other possible reasons are as follows. Metal atom in the ITO substrate (indium or tin) is, by causing the oxygen interaction in H 3 TOT neutral radicals relative to ITO substrate surface π plane H 3 TOT neutral radicals rising vertically Since the film growth starts from the H 3 TOT neutral radical in that state, it is considered that the obtained thin film has an edge-on orientation.
As described above, by appropriately selecting the base material for vacuum vapor deposition, it is considered that the orientation of the obtained thin film can be controlled, and as a result, the conductivity in the film thickness direction can be dramatically improved.

4.二次電池の製造
[実施例1]
以下の材料を用いて二次電池を製造した。
正極:製造例1に係るHTOT中性ラジカル薄膜(face−on配向、平均膜厚:800nm)
負極:Li金属
電解質:1M LiPF、EC/DMC/EMC電解液
セパレータ:ポリオレフィン系(PP/PE/PP)の多孔質膜
評価セル:CR2032型コイン電池
4. Manufacture of secondary battery [Example 1]
A secondary battery was manufactured using the following materials.
Positive electrode: H 3 TOT neutral radical thin film (face-on orientation, average film thickness: 800 nm) according to Production Example 1.
Negative electrode: Li metal Electrolyte: 1M LiPF 6 , EC / DMC / EMC electrolyte Separator: Polyolefin-based (PP / PE / PP) porous film Evaluation cell: CR2032 type coin battery

[比較例1]
正極を、比較製造例1に係るHTOT中性ラジカル薄膜(edge−on配向、平均膜厚:800nm)に替えたこと以外は、実施例1と同様の材料を用いて、二次電池を製造した。
[Comparative Example 1]
A secondary battery was used using the same material as in Example 1 except that the positive electrode was replaced with the H 3 TOT neutral radical thin film (edge-on orientation, average film thickness: 800 nm) according to Comparative Production Example 1. Manufactured.

5.充放電測定
実施例1及び比較例1の二次電池について、下記条件により充放電測定を行い、電池特性を評価した。各電流密度について、充電と放電を3回ずつ繰り返した。
上下限電圧:4.0V−1.0V
評価温度:25℃
電流密度:10μA/cmと100μA/cm
5. Charge / Discharge Measurement With respect to the secondary batteries of Example 1 and Comparative Example 1, charge / discharge measurement was performed under the following conditions, and the battery characteristics were evaluated. Charging and discharging were repeated 3 times for each current density.
Upper and lower voltage: 4.0V-1.0V
Evaluation temperature: 25 ° C
Current density: 10 μA / cm 2 and 100 μA / cm 2

図3は、実施例1の二次電池の充放電曲線を重ねて示したグラフである。また、図6は、比較例1の二次電池の充放電曲線を重ねて示したグラフである。
まず、電流密度が10μA/cmの場合について検討する。図3から分かるように、電流密度が10μA/cmの場合、実施例1の二次電池は、充電容量及び放電容量がいずれも50μAh近傍である。これに対し、図6から分かるように、電流密度が10μA/cmの場合、比較例1の二次電池は、放電容量が充電容量よりも10μAh程度高い。図6は以下の結果を意味する。比較製造例1に係るHTOT中性ラジカル薄膜(edge−on配向)は、HTOT中性ラジカルの積層方向の導電性が小さいため、充放電時の過電圧が大きい。したがって、当該薄膜を含む比較例1の二次電池は、上限電圧4.0Vに早く到達してしまうため、充電容量が放電容量よりも小さくなる。
FIG. 3 is a graph showing the charge / discharge curves of the secondary battery of Example 1 superimposed. Further, FIG. 6 is a graph showing the charge / discharge curves of the secondary battery of Comparative Example 1 superimposed.
First, a case where the current density is 10 μA / cm 2 will be examined. As can be seen from FIG. 3, when the current density is 10 μA / cm 2 , the secondary battery of Example 1 has both a charge capacity and a discharge capacity of around 50 μAh. On the other hand, as can be seen from FIG. 6, when the current density is 10 μA / cm 2 , the discharge capacity of the secondary battery of Comparative Example 1 is about 10 μAh higher than the charge capacity. FIG. 6 means the following results. The H 3 TOT neutral radical thin film (edge-on orientation) according to Comparative Production Example 1 has a small conductivity in the stacking direction of the H 3 TOT neutral radicals, and therefore has a large overvoltage during charging / discharging. Therefore, the secondary battery of Comparative Example 1 including the thin film reaches the upper limit voltage of 4.0 V early, so that the charge capacity becomes smaller than the discharge capacity.

次に、電流密度が100μA/cmの場合について検討する。図3から分かるように、電流密度が100μA/cmの場合、実施例1の二次電池は、充電容量及び放電容量がいずれも15μAh近傍である。これに対し、図6から分かるように、電流密度が100μA/cmの場合、比較例1の二次電池の充電容量及び放電容量はいずれも確認できない。これらの結果は、HTOT中性ラジカルがface−on配向することにより、レート特性に優れる二次電池が得られることを示す。 Next, the case where the current density is 100 μA / cm 2 will be examined. As can be seen from FIG. 3, when the current density is 100 μA / cm 2 , the secondary battery of Example 1 has both a charge capacity and a discharge capacity of around 15 μAh. On the other hand, as can be seen from FIG. 6, when the current density is 100 μA / cm 2 , neither the charge capacity nor the discharge capacity of the secondary battery of Comparative Example 1 can be confirmed. These results indicate that the face-on orientation of the H 3 TOT neutral radicals provides a secondary battery with excellent rate characteristics.

また、図3より、実施例1の二次電池のエネルギー密度は、330mAh/gであることが分かる。これに対し、図6より、比較例1の二次電池のエネルギー密度は、280mAh/gであることが分かる。 Further, from FIG. 3, it can be seen that the energy density of the secondary battery of Example 1 is 330 mAh / g. On the other hand, from FIG. 6, it can be seen that the energy density of the secondary battery of Comparative Example 1 is 280 mAh / g.

6.結論
以上の結果から、HTOT中性ラジカル薄膜を正極活物質層として含む二次電池について、HTOT中性ラジカルが基材に対しface−on配向となる場合(すなわち、HTOT中性ラジカルのπ平面が積層体の積層方向に対し垂直な配向となる場合。実施例1)には、HTOT中性ラジカルが基材に対しedge−on配向となる場合(すなわち、HTOT中性ラジカルのπ平面が積層体の積層方向に対し平行な配向となる場合。比較例1)と比較して、レート特性に優れることが実証された。また、face−on配向を有するHTOT中性ラジカル薄膜の膜厚方向の導電性が、edge−on配向を有するHTOT中性ラジカル薄膜の膜厚方向の導電性よりも優れることが、レート特性向上の理由であることが実証された。
さらに、face−on配向を有するHTOT中性ラジカル薄膜を含む二次電池(実施例1)は、TOT化合物を含む従来の二次電池よりも高いエネルギー密度を有することが証明された。これは、正極活物質層がHTOT中性ラジカル薄膜からなるものであり、導電化材やバインダを含まないためである。
このように、HTOT中性ラジカルのπ平面が積層体の積層方向に対し垂直となる配向を有する薄膜を活物質層として含むことにより、添加剤を含まない活物質のみの電極層を用いて充放電可能な二次電池が得られることが実証された。
6. Conclusion From the above results, for a secondary battery containing an H 3 TOT neutral radical thin film as a positive electrode active material layer, when the H 3 TOT neutral radicals are face-on oriented with respect to the substrate (that is, in H 3 TOT). In the case where the π plane of the sex radical is oriented perpendicular to the stacking direction of the laminate. In Example 1), the H 3 TOT neutral radical is oriented in edge-on with respect to the substrate (that is, H 3). When the π plane of the TOT neutral radical is oriented parallel to the stacking direction of the laminated body, it was demonstrated that the rate characteristics are excellent as compared with Comparative Example 1). Further, the conductivity of the H 3 TOT neutral radical thin film having face-on orientation in the film thickness direction is superior to that of the H 3 TOT neutral radical thin film having edge-on orientation in the film thickness direction. It was proved that it was the reason for the improvement of the rate characteristics.
Furthermore, a secondary battery containing a face-on oriented H 3 TOT neutral radical thin film (Example 1) was demonstrated to have a higher energy density than a conventional secondary battery containing a TOT compound. This is a cathode active material layer is made of H 3 TOT neutral radicals thin, because without the conductive material and binder.
As described above, by including the thin film having the orientation in which the π plane of the H 3 TOT neutral radical is perpendicular to the stacking direction of the laminated body as the active material layer, the electrode layer containing only the active material without additives is used. It was demonstrated that a rechargeable secondary battery can be obtained.

1 負極
2,2’ 正極
2A,2A’ 正極活物質層
2a トリオキソトリアンギュレン中性ラジカル化合物
2B 正極集電体
3 電解質層
10,20 積層体
1 Negative electrode 2, 2'Positive electrode 2A, 2A'Positive electrode active material layer 2a Trioxotriangulene neutral radical compound 2B Positive electrode current collector 3 Electrolyte layer 10,20 Laminate

Claims (1)

正極、電解質層及び負極を含む積層体を備える二次電池であって、
前記正極及び負極のうち少なくともいずれか1つは、下記式(1)に示されるトリオキソトリアンギュレン中性ラジカル化合物が、該トリオキソトリアンギュレン中性ラジカル化合物のπ平面が前記積層体の積層方向に対し垂直となる配向を有する薄膜を、活物質層として含むことを特徴とする、二次電池。
Figure 0006974099
(上記式(1)中、Xは水素、ハロゲンまたは1価の有機基から選ばれ、互いに同一でも異なっていても良い。また、上記式(1)中、実線及び破線からなる二重線は非局在化した二重結合を表しており、黒丸で示される不対電子は、この非局在化した二重結合中に存在する。)
A secondary battery including a laminate including a positive electrode, an electrolyte layer, and a negative electrode.
At least one of the positive electrode and the negative electrode is a trioxotriangulene neutral radical compound represented by the following formula (1), and the π plane of the trioxotriangulene neutral radical compound is the laminate. A secondary battery characterized by containing a thin film having an orientation perpendicular to the stacking direction as an active material layer.
Figure 0006974099
(In the above formula (1), X is selected from hydrogen, halogen or a monovalent organic group, and may be the same or different from each other. Further, in the above formula (1), the double line consisting of a solid line and a broken line is used. It represents a delocalized double bond, and the unpaired electron indicated by the black circle is present in this delocalized double bond.)
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