JP7472612B2 - Energy Storage Devices - Google Patents
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Description
本開示は、蓄電デバイスに関する。 This disclosure relates to an electricity storage device.
従来、蓄電デバイスとしては、ケイ素原子で構成された六員環が複数連なった構造を基本骨格とするSi化合物と含窒素化合物とを備えた活物質を有し、この活物質がアニオンを吸蔵及び放出することにより充放電するものが提案されている(特許文献1~3参照)。また、金属イオンに4,4’-ビピリジンなどの有機化合物が配位した繰返し構造を備えた活物質を有し、繰返し構造内にアニオンを吸蔵及び放出することにより充放電するものが提案されている(特許文献4参照)。また、エネルギー貯蔵デバイスの活物質として、4,4’-ビピリジンの2つの窒素にそれぞれ置換基を導入した構造を有するアルカリ金属有機構造体を用いることが提案されている(例えば特許文献5参照)。 Conventionally, proposed energy storage devices have an active material that includes a silicon compound and a nitrogen-containing compound, with the basic skeleton being a structure in which multiple six-membered rings made of silicon atoms are linked together, and this active material is charged and discharged by absorbing and releasing anions (see Patent Documents 1 to 3). In addition, proposed energy storage devices have an active material that includes a repeating structure in which an organic compound such as 4,4'-bipyridine is coordinated to a metal ion, and the repeating structure is charged and discharged by absorbing and releasing anions (see Patent Document 4). In addition, proposed energy storage devices use an alkali metal organic structure that includes a structure in which a substituent is introduced into each of the two nitrogens of 4,4'-bipyridine (see, for example, Patent Document 5).
しかしながら、特許文献1~5では、アニオンの吸蔵及び放出により充放電できる蓄電デバイスを提供しているものの、こうしたもの以外にも、アニオンの吸蔵及び放出により充放電できる新規な蓄電デバイスを提供することが望まれていた。また、特許文献4,5では、4,4’-ビピリジン骨格を有する金属有機構造体が開示されているが、放電容量が小さいことがあった。
However, although Patent Documents 1 to 5 provide electricity storage devices that can be charged and discharged by absorbing and releasing anions, it has been desired to provide a new electricity storage device that can be charged and discharged by absorbing and releasing anions.
本開示はこのような課題を解決するためになされたものであり、新規な蓄電デバイスを提供することを主目的とする。 This disclosure has been made to solve these problems, and its main objective is to provide a new electricity storage device.
上述した目的を達成するために本発明者らは鋭意研究し、4,4’-ビピリジニウムとジカルボン酸アニオンとを有する有機骨格層と、遷移金属元素層とを備えた金属有機構造体が種々の特性を有し、化学的及び構造的に安定であることを見出した。また、こうした金属有機構造体を含む負極と、アニオンの授受が可能な正極活物質を含む正極と、アニオンを伝導可能なイオン伝導媒体と、を備えた蓄電デバイスでは、放電容量が大きいことを見出し、本開示を完成するに至った。 In order to achieve the above-mentioned object, the inventors have conducted extensive research and discovered that a metal-organic framework having an organic framework layer containing 4,4'-bipyridinium and a dicarboxylate anion and a transition metal element layer has various properties and is chemically and structurally stable. In addition, the inventors discovered that an electricity storage device having a negative electrode containing such a metal-organic framework, a positive electrode containing a positive electrode active material capable of donating and receiving anions, and an ion-conducting medium capable of conducting anions has a large discharge capacity, which led to the completion of the present disclosure.
即ち、本開示の蓄電デバイスは、
4,4’-ビピリジニウムとジカルボン酸アニオンとを有する複素環式化合物を含む有機骨格層と前記カルボン酸アニオンに遷移金属元素が配位して骨格を形成する遷移金属元素層とを備える三次元構造体と、前記三次元構造体と対をなすアニオンと、を備えた金属有機構造体を含む負極と、
前記アニオンの授受が可能な正極活物質を含む正極と、
前記正極と前記負極との間に介在し、前記アニオンを伝導可能なイオン伝導媒体と、
を備えたものである。
That is, the electricity storage device of the present disclosure is
a three-dimensional structure including an organic framework layer including a heterocyclic compound having 4,4'-bipyridinium and a dicarboxylate anion, and a transition metal element layer in which a transition metal element is coordinated to the carboxylate anion to form a framework, and an anion that forms a pair with the three-dimensional structure; and a negative electrode including a metal organic framework including:
a positive electrode including a positive electrode active material capable of donating and receiving the anion;
an ion-conductive medium interposed between the positive electrode and the negative electrode and capable of conducting the anions;
It is equipped with the following:
本開示では、新規な蓄電デバイスを提供することができる。この蓄電デバイスでは、例えば、金属イオンに配位する有機化合物がジカルボン酸アニオンのない4,4’-ビピリジンであるものよりも、放電容量が高い。これは、ジカルボン酸アニオンを有する4,4’-ビピリジニウムのほうが酸化還元活性が高いためと推察される。また、この蓄電デバイスでは、例えば、有機化合物にリチウムイオンが配位したものよりも、放電容量が高い。これは、有機化合物に遷移金属が配位したもののほうが構造が安定していて、酸化還元活性が高いためと推察される。 This disclosure can provide a novel electricity storage device. This electricity storage device has a higher discharge capacity than, for example, a device in which the organic compound coordinated to the metal ion is 4,4'-bipyridine without a dicarboxylate anion. This is presumably because 4,4'-bipyridinium with a dicarboxylate anion has higher redox activity. This electricity storage device also has a higher discharge capacity than, for example, a device in which lithium ions are coordinated to an organic compound. This is presumably because an organic compound coordinated to a transition metal has a more stable structure and higher redox activity.
本開示の蓄電デバイスは、有機骨格層と遷移金属元素層とを備える三次元構造体と、三次元構造体と対をなすアニオンと、を備えた金属有機構造体を負極活物質として含む負極と、上述したアニオンの授受が可能な正極活物質を含む正極と、負極と正極との間に介在し少なくとも上述したアニオンを伝導可能なイオン伝導媒体と、を備えている。アニオンの授受が可能とは、アニオンをその内部に吸蔵及び放出することが可能であるか、アニオンをその表面に吸着及び脱離することが可能であるか、の一方又は両方を満たすことをいう。この蓄電デバイスでは、負極に含まれる金属有機構造体がキャリアイオンとなるアニオンを予め備えており、充電時には負極からアニオンが放出され又は脱離し正極にこのアニオンが吸蔵又は吸着され、放電時には正極からアニオンが放出され又は脱離し負極にこのアニオンが吸蔵又は吸着される。 The power storage device of the present disclosure includes a negative electrode including a metal organic framework as a negative electrode active material, the metal organic framework including a three-dimensional structure including an organic framework layer and a transition metal element layer, and an anion paired with the three-dimensional structure; a positive electrode including a positive electrode active material capable of donating and receiving the above-mentioned anion; and an ion conductive medium interposed between the negative electrode and the positive electrode and capable of conducting at least the above-mentioned anion. Being capable of donating and receiving anion means that one or both of the following conditions are satisfied: the anion can be absorbed and released inside, or the anion can be adsorbed and desorbed on the surface. In this power storage device, the metal organic framework included in the negative electrode is provided with an anion that serves as a carrier ion in advance, and during charging, the anion is released or desorbed from the negative electrode and the anion is absorbed or adsorbed to the positive electrode, and during discharging, the anion is released or desorbed from the positive electrode and the anion is absorbed or adsorbed to the negative electrode.
本開示の蓄電デバイスにおいて、負極は、負極活物質として金属有機構造体を含む。金属有機構造体は、有機骨格層と遷移金属元素層とを備える三次元構造体と、三次元構造体と対をなすアニオンと、を備えている。金属有機構造体は、例えばXRDプロファイルに現れるピーク形状によって三次元構造体であるか否かを判断することができる。 In the power storage device of the present disclosure, the negative electrode contains a metal organic framework as a negative electrode active material. The metal organic framework has a three-dimensional structure having an organic framework layer and a transition metal element layer, and an anion that pairs with the three-dimensional structure. Whether or not the metal organic framework is a three-dimensional structure can be determined, for example, by the peak shape that appears in the XRD profile.
有機骨格層は、4,4’-ビピリジニウムとジカルボン酸アニオンとを有する複素環式化合物を含む。この有機骨格層は、4,4’-ビピリジニウムを含む基本骨格の両端にカルボン酸が直接的に又は間接的に結合した複素環式化合物を含むものとしてもよい。また、有機骨格層において、4,4’-ビピリジニウムを含む基本骨格は、4,4’-ビピリジニウムを1つ以上含んでいてもよいが、4,4’-ビピリジニウムを1つ含むことが好ましい。複素環式化合物において、カルボン酸アニオンは、4,4’-ビピリジニウムを含む基本骨格に分岐を有していてもよいアルキレン鎖又は芳香族炭化水素鎖を介して間接的に結合していることが好ましい。アルキレン鎖は、主鎖の炭素数が1以上3以下のものが好ましく、メチレン基がより好ましい。分岐を有するアルキレン鎖において、分岐は、メチル基及びエチル基のうちの少なくとも1つとしてもよい。アルキレン鎖は、分岐を有するか否かにかかわらず、炭素数が1以上3以下のものとしてもよい。芳香族炭化水素鎖は、1以上3以下のフェニレン基で構成されていることが好ましい。 The organic skeleton layer includes a heterocyclic compound having 4,4'-bipyridinium and a dicarboxylate anion. The organic skeleton layer may include a heterocyclic compound having carboxylic acids directly or indirectly bonded to both ends of a basic skeleton including 4,4'-bipyridinium. In the organic skeleton layer, the basic skeleton including 4,4'-bipyridinium may include one or more 4,4'-bipyridiniums, but preferably includes one 4,4'-bipyridinium. In the heterocyclic compound, the carboxylate anion is preferably indirectly bonded to the basic skeleton including 4,4'-bipyridinium via an alkylene chain or aromatic hydrocarbon chain that may have a branch. The alkylene chain preferably has a main chain with 1 to 3 carbon atoms, and more preferably a methylene group. In the branched alkylene chain, the branch may be at least one of a methyl group and an ethyl group. The alkylene chain may have a carbon number of 1 to 3, regardless of whether it has a branch or not. The aromatic hydrocarbon chain is preferably composed of 1 to 3 phenylene groups.
遷移金属元素層は、有機骨格層のカルボン酸アニオンに遷移金属元素が配位して骨格を形成する部位である。この遷移金属元素層は、例えば、Cu、Fe、Co、Ni及びMnのうち1以上を含むことが好ましく、このうちCuが好ましい。また、この遷移金属元素層に含まれる遷移金属は、2価の遷移金属であることが好ましい。 The transition metal element layer is a portion where a transition metal element is coordinated to the carboxylate anion of the organic framework layer to form a framework. This transition metal element layer preferably contains, for example, one or more of Cu, Fe, Co, Ni, and Mn, of which Cu is preferred. In addition, the transition metal contained in this transition metal element layer is preferably a divalent transition metal.
三次元構造体と対をなすアニオンは、例えば、1価あるいは2価以上のアニオンが挙げられるが、1価のアニオンとしてもよい。このアニオンは、例えば、テトラフルオロボレート(BF4 -)、ヘキサフルオロフォスフェート(PF6 -)、ヘキサフルオロシリケート(SiF6 2-)、ヘキサフルオロアンチモナート(SbF6 -)、パークロレート(ClO4 -)、テトラシアノボレート(B(CN)4 -)、トリス(ペンタフルオロエチル)トリフルオロフォスフェート([(C2F5)3PF3]-)、ジシアンアミド([(CN)2N]-)、トリフルオロメタンスルホネート(CF3SO3 -)、トリフルオロアセタート(CF3CO2 -)、ビス(フルオロスルホニル)イミド(N(FSO2)2 -)、ビス(トリフルオロメタンスルホニル)イミド(N(CF3SO2)2 -)、ビス(ペンタフルオロエタンスルホニル)イミド(N(C2F5SO2)2 -)からなる群より選ばれる1以上であることが好まし。アニオンは、BF4 -、PF6 -、SiF6 2-、SbF6 -、ClO4 -、CF3SO3などとしてもよい。こうしたアニオンでは、F-、Cl-、Br-、I-のようなハロゲンアニオンよりもイオン半径が大きく、複素環式化合物や他のアニオンとの相互作用が比較的小さいため、金属有機構造体の安定性をより高めることができると考えられる。また、イオン半径が大きすぎないため、複素環式化合物の構造の隙間に良好な状態で存在できると考えられる。アニオンは、このうち、BF4 -、PF6 -、CF3SO3 -などとしてもよい。例えば、アニオンがBF4 -であれば、分子量が小さく、且つイオン伝導度が高いため電極活物質単位重量当たりの理論容量を高めることができ好ましい。また、PF6 -、CF3SO3 -であれば、BF4 -に比して分子量が大きく活物質単位重量当たりの理論容量が減少する反面、イオン伝導度が高く低温特性を高めることができると考えられる。 The anion paired with the three-dimensional structure may be, for example, a monovalent or divalent or higher anion, but may be a monovalent anion. The anion may be, for example, tetrafluoroborate (BF 4 - ), hexafluorophosphate (PF 6 - ), hexafluorosilicate (SiF 6 2- ), hexafluoroantimonate (SbF 6 - ), perchlorate (ClO 4 - ), tetracyanoborate (B(CN) 4 - ), tris(pentafluoroethyl)trifluorophosphate ([(C 2 F 5 ) 3 PF 3 ] - ), dicyanamide ([(CN) 2 N] - ), trifluoromethanesulfonate (CF 3 SO 3 - ), trifluoroacetate (CF 3 CO 2 - ), bis(fluorosulfonyl)imide (N(FSO 2 ) 2 - ), bis(trifluoromethanesulfonyl)imide (N(CF 3 SO 2 ) 2 - ). ), bis(pentafluoroethanesulfonyl)imide (N(C 2 F 5 SO 2 ) 2 - ). The anion may be BF 4 - , PF 6 - , SiF 6 2- , SbF 6 - , ClO 4 - , CF 3 SO 3 , or the like. Such anions have a larger ionic radius than halogen anions such as F - , Cl - , Br - , and I - , and have a relatively small interaction with heterocyclic compounds and other anions, so it is believed that the stability of the metal organic framework can be further improved. In addition, since the ionic radius is not too large, it is believed that the anion can exist in a good state in the gaps in the structure of the heterocyclic compound. Among these, the anion may be BF 4 - , PF 6 - , CF 3 SO 3 - , or the like. For example, if the anion is BF 4 - , it is preferable because the molecular weight is small and the ionic conductivity is high, so that the theoretical capacity per unit weight of the electrode active material can be increased. Also, PF 6 - and CF 3 SO 3 - have a larger molecular weight than BF 4 - and thus reduce the theoretical capacity per unit weight of active material, but have high ionic conductivity and are believed to be able to improve low-temperature characteristics.
金属有機構造体は、例えば、式(1)で表されるものとしてもよい。式(1)において、A-はアニオンであり、Mは遷移金属であり、Rは分岐を有していてもよいアルキレン鎖又は芳香族炭化水素鎖であり、mは0又は1である。金属有機構造体は、式(2)又は式(3)で表されるものとしてもよい。 The metal organic framework may be, for example, represented by formula (1). In formula (1), A- is an anion, M is a transition metal, R is an alkylene chain or an aromatic hydrocarbon chain which may have a branch, and m is 0 or 1. The metal organic framework may be represented by formula (2) or formula (3).
金属有機構造体は、4,4’-ビピリジニウムの基本骨格に、少なくとも2つのカルボン酸アニオンが直接的に又は間接的に結合した有機骨格層と、カルボン酸アニオンに含まれる酸素に遷移金属が結合した遷移金属元素層と、を備えた三次元構造体であるものとしてもよい。このような三次元構造体では、遷移金属元素が結合した有機骨格層に空間が生じ、この空間にアニオンが存在すると考えられる。この金属有機構造体は、層状構造体であってもよく、複素環式化合物のπ電子相互作用により層状に形成されていてもよい。この金属有機構造体は、遷移金属が、2つあるいは、4つの金属有機構造体が有するカルボン酸アニオンの酸素と結合した構造としてもよい。図1に、複素環式化合物の三次元構造体と、アニオンと、を備えた金属有機構造体の構造の一例を示す。図1の金属有機構造体では、アニオンはA-とし、遷移金属はM2+とした。また、金属有機構造体は、基本骨格である4,4’-ビピリジニウムの両端の窒素に、カルボン酸アニオンが置換基を有さないメチレン基を介して結合しているものとした。 The metal organic framework may be a three-dimensional structure including an organic framework layer in which at least two carboxylate anions are directly or indirectly bonded to a basic framework of 4,4'-bipyridinium, and a transition metal element layer in which a transition metal is bonded to oxygen contained in the carboxylate anion. In such a three-dimensional structure, a space is generated in the organic framework layer to which the transition metal element is bonded, and an anion is considered to exist in this space. This metal organic framework may be a layered structure, or may be formed in a layered form by π-electron interaction of a heterocyclic compound. This metal organic framework may have a structure in which a transition metal is bonded to oxygen of a carboxylate anion possessed by two or four metal organic frameworks. FIG. 1 shows an example of a structure of a metal organic framework including a three-dimensional structure of a heterocyclic compound and an anion. In the metal organic framework of FIG. 1, the anion is A- , and the transition metal is M2+ . In addition, the metal organic framework is configured such that a carboxylate anion is bonded to nitrogens at both ends of the basic framework of 4,4'-bipyridinium via methylene groups having no substituents.
金属有機構造体は、CuKα線を用いたXRDプロファイルにおいて、5°≦2θ≦30°の範囲に、強度が最大となるピークのピークトップが確認されるものとしてもよい。この金属有機構造体は、所定の空間群に属し、アモルファスのようにブロードではなく、ピークを有する。この金属有機構造体は、XRDプロファイルにおいて、2θ=5~30°の範囲に強度が最大となるピーク及びその他のピークを示すものとしてもよい。 The metal organic structure may have a peak top with maximum intensity in the range of 5°≦2θ≦30° in an XRD profile using CuKα radiation. This metal organic structure belongs to a specified space group and has a peak that is not broad like an amorphous structure. This metal organic structure may have a peak with maximum intensity in the range of 2θ=5 to 30° and other peaks in an XRD profile.
金属有機構造体は、UVスペクトルから算出されたバンドギャップが0.5eV以上3.0eV以下の範囲としてもよい。この金属有機構造体は、絶縁性を示さず、半導体的特性を有しているものとしてもよい。この金属有機構造体は、直接遷移バンドギャップが1.0eV以上3.0eV以下の範囲としてもよいし、2.0eV以下としてもよいし、1.5eV以下としてもよい。また、この金属有機構造体は、間接遷移バンドギャップが0.5eV以上2.5eV以下の範囲としてもよいし、1.0eV以下としてもよいし、0.75eV以下としてもよい。 The metal organic structure may have a band gap calculated from a UV spectrum in the range of 0.5 eV to 3.0 eV. The metal organic structure may not exhibit insulating properties and may have semiconducting properties. The metal organic structure may have a direct transition band gap in the range of 1.0 eV to 3.0 eV, 2.0 eV or less, or 1.5 eV or less. The metal organic structure may have an indirect transition band gap in the range of 0.5 eV to 2.5 eV, 1.0 eV or less, or 0.75 eV or less.
金属有機構造体は、キャリアイオンであるアニオンの授受が可能である。この金属有機構造体は、充電時には金属有機構造体の構造内からアニオンが放出されて還元され、放電時には金属有機構造体の構造内にこのアニオンが吸蔵されて酸化されると考えられる。このとき、金属有機構造体では、遷移金属元素に結合した有機骨格層に空間が生じ、この空間にアニオンが吸蔵放出されると考えられる。図2に、充放電時における金属有機構造体の酸化還元の様子の一例の模式図を示す。図2には、遷移金属MをCuとし、アニオンをBF4 -とした金属有機構造体を一例に示した。図2に示すように、BF4 -の放出に伴い、4,4’-ビピリジニウムのビオロゲン骨格では、酸化還元の電荷を補償し、カルボン酸Cuが骨格形成に寄与すると推察される。 The metal organic framework is capable of donating and receiving anions, which are carrier ions. It is believed that this metal organic framework releases anions from the structure of the metal organic framework during charging and is reduced, and that this anion is absorbed and released within the structure of the metal organic framework during discharging. At this time, in the metal organic framework, a space is generated in the organic framework layer bonded to the transition metal element, and it is believed that anions are absorbed and released in this space. FIG. 2 shows a schematic diagram of an example of the state of oxidation and reduction of the metal organic framework during charging and discharging. FIG. 2 shows an example of a metal organic framework in which the transition metal M is Cu and the anion is BF 4 - . As shown in FIG. 2, it is believed that with the release of BF 4 - , in the viologen framework of 4,4'-bipyridinium, the charge of oxidation and reduction is compensated, and the carboxylate Cu contributes to the formation of the framework.
金属有機構造体は、以下の製造方法で製造されたものとしてもよい。この製造方法は、前駆体作製工程と、構造体作製工程とを含む。また、構造体作製工程のあとに加熱工程を含むものとしてもよい。 The metal-organic framework may be manufactured by the following manufacturing method. This manufacturing method includes a precursor manufacturing step and a structure manufacturing step. The manufacturing method may also include a heating step after the structure manufacturing step.
前駆体作製工程では、4,4’-ビピリジニウムにジカルボン酸が接続された複素環式化合物と、アルカリ金属化合物とを溶解した溶液を乾燥して粉末を得る。複素環式化合物は、4,4’-ビピリジニウムを含む基本骨格の両端にカルボン酸が直接的に又は間接的に結合したものを用いることができる。アルカリ金属化合物としては、例えば、リチウム、ナトリウム、カリウムなどの水酸化物、塩化物、硫酸塩、硝酸塩などのうち1以上が挙げられる。このうち、リチウム水酸化物を用いることが好ましい。複素環式化合物及びアルカリ金属化合物は、目的とする金属有機構造体に応じて適宜選択すればよい。複素環式化合物の基本骨格は、上述した金属有機構造体における基本骨格と同様とすることができる。カルボン酸と基本骨格との結合は、上述した金属有機構造体におけるカルボン酸アニオンと基本骨格との結合と同様とすることができる。アニオンは、上述した金属有機構造体におけるアニオンと同様とすることができる。 In the precursor preparation process, a solution in which a heterocyclic compound in which a dicarboxylic acid is connected to 4,4'-bipyridinium and an alkali metal compound are dissolved is dried to obtain a powder. The heterocyclic compound may be one in which a carboxylic acid is directly or indirectly bonded to both ends of a basic skeleton containing 4,4'-bipyridinium. Examples of the alkali metal compound include one or more hydroxides, chlorides, sulfates, and nitrates of lithium, sodium, potassium, etc. Among these, it is preferable to use lithium hydroxide. The heterocyclic compound and the alkali metal compound may be appropriately selected according to the target metal organic framework. The basic skeleton of the heterocyclic compound may be the same as the basic skeleton in the above-mentioned metal organic framework. The bond between the carboxylic acid and the basic skeleton may be the same as the bond between the carboxylate anion and the basic skeleton in the above-mentioned metal organic framework. The anion may be the same as the anion in the above-mentioned metal organic framework.
この工程では、溶液を調製してもよいし、すでに調製された溶液を準備してもよい。溶液の溶媒は、特に限定されず、水系溶媒としてもよいし、有機系溶媒としてもよいが、水であることが好ましい。この工程では、複素環式化合物のモル数A(mol)に対するアルカリ金属化合物のアルカリ金属カチオンのモル数B(mol)の比であるモル比B/Aが2.0以上2.5以下の溶液を用いることが好ましい。この範囲では、結晶性の金属有機構造体をより確実に得ることができる。この工程では、複素環式化合物の濃度が0.1mol/L以上、より好ましくは、0.2mol/L以上の溶液を準備することが好ましい。また、この工程では、複素環式化合物の濃度が5mol/L以下の調製溶液を準備することが好ましい。このような濃度範囲では、次工程の処理をより行いやすい。 In this step, a solution may be prepared, or a solution that has already been prepared may be prepared. The solvent of the solution is not particularly limited, and may be an aqueous solvent or an organic solvent, but is preferably water. In this step, it is preferable to use a solution in which the molar ratio B/A, which is the ratio of the molar number B (mol) of the alkali metal cation of the alkali metal compound to the molar number A (mol) of the heterocyclic compound, is 2.0 or more and 2.5 or less. In this range, a crystalline metal-organic framework can be obtained more reliably. In this step, it is preferable to prepare a solution in which the concentration of the heterocyclic compound is 0.1 mol/L or more, more preferably 0.2 mol/L or more. In this step, it is preferable to prepare a prepared solution in which the concentration of the heterocyclic compound is 5 mol/L or less. In such a concentration range, the processing in the next step is easier to perform.
構造体作製工程では、前駆体作製工程で得られた前駆体の粉末と、遷移金属元素イオンと、アニオンとを溶解した調製溶液を調製したのち、金属有機構造体を得る。金属有機構造体は、4,4’-ビピリジニウムとジカルボン酸アニオンとを有する複素環式化合物を含む有機骨格層とカルボン酸アニオンに遷移金属元素が配位して骨格を形成する遷移金属元素層とを備える三次元構造体と、三次元構造体と対をなすアニオンと、を備える。遷移金属元素イオンとアニオンとは、これらの塩を用いることが好ましい。遷移金属元素としては、例えば、Cu、Fe、Co、Ni及びMnのうち1以上が挙げられ、このうちCuが好ましい。アニオンとしては、例えば、BF4 -、PF6 -、SiF6 2-、SbF6 -、ClO4 -、B(CN)4 -、[(C2F5)3PF3]-、[(CN)2N]-、CF3SO3 -、CF3CO2 -、N(FSO2)2 -、N(CF3SO2)2 -、N(C2F5SO2)2 -のうち1以上が挙げられ、このうち、BF4 -、が好ましい。また、これらの塩としては、Cu(BF4)2などが挙げられる。調製溶液の溶媒は、特に限定されず、水系溶媒としてもよいし、有機系溶媒としてもよいが、水であることが好ましい。この工程では、複素環式化合物のモル数X(mol)に対する遷移金属元素イオンのモル数Y(mol)の比であるモル比Y/Xが2.0以上2.5以下の溶液を用いることが好ましい。この範囲では、結晶性の金属有機構造体をより確実に得ることができる。この工程では、複素環式化合物の濃度が0.1mol/L以上、より好ましくは、0.2mol/L以上とすることが好ましい。また、この工程では、複素環式化合物の濃度が5mol/L以下の調製溶液を準備することが好ましい。このような濃度範囲では、金属有機構造体をより容易に析出することができる。 In the structure preparation step, a preparation solution is prepared by dissolving the precursor powder obtained in the precursor preparation step, transition metal element ions, and anions, and then a metal organic framework is obtained. The metal organic framework comprises a three-dimensional structure including an organic framework layer containing a heterocyclic compound having 4,4'-bipyridinium and a dicarboxylate anion, a transition metal element layer in which a transition metal element is coordinated to a carboxylate anion to form a framework, and an anion paired with the three-dimensional structure. The transition metal element ion and the anion are preferably salts of these. Examples of the transition metal element include one or more of Cu, Fe, Co, Ni, and Mn, and among these, Cu is preferred. Examples of the anion include one or more of BF4- , PF6- , SiF62- , SbF6- , ClO4- , B(CN) 4- , [( C2F5 ) 3PF3 ] - , [(CN) 2N ] - , CF3SO3- , CF3CO2- , N ( FSO2 ) 2- , N( CF3SO2 ) 2- , and N( C2F5SO2 ) 2- , among which BF4- is preferred. Examples of the salts include Cu( BF4 ) 2 . The solvent of the preparation solution is not particularly limited, and may be an aqueous solvent or an organic solvent , but is preferably water . In this step, it is preferable to use a solution in which the molar ratio Y/X, which is the ratio of the number of moles Y (mol) of the transition metal element ion to the number of moles X (mol) of the heterocyclic compound, is 2.0 or more and 2.5 or less. In this range, a crystalline metal-organic framework can be obtained more reliably. In this step, it is preferable that the concentration of the heterocyclic compound is 0.1 mol/L or more, more preferably 0.2 mol/L or more. In this step, it is preferable to prepare a preparation solution in which the concentration of the heterocyclic compound is 5 mol/L or less. In such a concentration range, the metal-organic framework can be more easily precipitated.
この工程では、水を溶媒とする調製溶液に対してアルコールを加えることにより、金属有機構造体を生成することが好ましい。この方法によれば、加熱乾燥などによる構造体への影響をより抑制することができる。アルコールとしては、例えば、メタノール、エタノール、プロパノール及びブタノールなどが挙げられ、このうちエタノールが好ましい。 In this step, it is preferable to generate the metal-organic framework by adding alcohol to the preparation solution in which water is used as a solvent. This method can further suppress the effects on the framework caused by heating and drying. Examples of alcohol include methanol, ethanol, propanol, and butanol, and among these, ethanol is preferred.
加熱工程では、構造体作製工程で得られた金属有機構造体を40℃以上150℃以下の温度範囲で加熱するものとしてもよい。加熱温度は、40℃以上が好ましく、60℃以上がより好ましく、70℃以上としてもよい。加熱温度が40℃以上では、得られた金属有機構造体を十分乾燥することができる。この加熱温度は、150℃以下が好ましく、120℃以下がより好ましく、100℃以下がより好ましく、80℃以下としてもよい。加熱温度が150℃以下では、金属有機構造体の構造に悪影響を与えにくく、好ましい。また、この加熱工程は、常圧下で行ってもよいし、真空下で行ってもよい、加熱処理を常圧下で行うと、構造への負担が少なく好ましい。また、加熱処理を真空下で行うと、処理時間をより短縮することができ好ましい。この工程において、加熱処理する加熱時間は、金属有機構造体から水などを除去できる適正な時間とすればよく、例えば、1時間以上24時間以下の範囲が好ましく、3時間以上12時間以下の範囲がより好ましい。このようにして、三次元構造体とアニオンとを備える金属有機構造体を作製することができる。 In the heating step, the metal organic framework obtained in the structure preparation step may be heated at a temperature range of 40°C to 150°C. The heating temperature is preferably 40°C or higher, more preferably 60°C or higher, and may be 70°C or higher. When the heating temperature is 40°C or higher, the obtained metal organic framework can be sufficiently dried. This heating temperature is preferably 150°C or lower, more preferably 120°C or lower, more preferably 100°C or lower, and may be 80°C or lower. When the heating temperature is 150°C or lower, the structure of the metal organic framework is less adversely affected, which is preferable. In addition, this heating step may be performed under normal pressure or under vacuum. When the heating treatment is performed under normal pressure, the burden on the structure is less, which is preferable. In addition, when the heating treatment is performed under vacuum, the treatment time can be further shortened, which is preferable. In this step, the heating time for the heat treatment may be an appropriate time for removing water and the like from the metal organic framework, and for example, a range of 1 hour to 24 hours or less is preferable, and a range of 3 hours to 12 hours or less is more preferable. In this way, a metal-organic framework having a three-dimensional structure and anions can be produced.
この負極は、例えば、負極活物質である金属有機構造体と必要に応じて導電材と結着材とを混合し、適当な溶剤を加えてペースト状の電極合材としたものを、集電体の表面に塗布乾燥し、必要に応じて電極密度を高めるべく圧縮して形成してもよい。導電材は、電極性能に悪影響を及ぼさない電子伝導性材料であれば特に限定されず、例えば、天然黒鉛(鱗状黒鉛、鱗片状黒鉛)や人造黒鉛などの黒鉛、アセチレンブラック、カーボンブラック、ケッチェンブラック、カーボンウィスカ、ニードルコークス、炭素繊維、金属(銅、ニッケル、アルミニウム、銀、金など)などの1種又は2種以上を混合したものを用いることができる。これらの中で、導電材としては、電子伝導性及び塗工性の観点より、カーボンブラック及びアセチレンブラックが好ましい。結着材は、活物質粒子及び導電材粒子を繋ぎ止める役割を果たすものであり、例えば、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、ポリフッ化ビニリデン(PVdF)、フッ素ゴム等の含フッ素樹脂、或いはポリプロピレン、ポリエチレン等の熱可塑性樹脂、エチレン-プロピレン-ジエンマー(EPDM)、スルホン化EPDM、天然ブチルゴム(NBR)等を単独で、あるいは2種以上の混合物として用いることができる。活物質、導電材、結着材を分散させる溶剤としては、例えばN-メチルピロリドン、ジメチルホルムアミド、ジメチルアセトアミド、メチルエチルケトン、シクロヘキサノン、酢酸メチル、アクリル酸メチル、ジエチルトリアミン、N,N-ジメチルアミノプロピルアミン、エチレンオキシド、テトラヒドロフランなどの有機溶剤を用いることができる。また、水に分散剤、増粘剤等を加え、SBRなどのラテックスで活物質をスラリー化してもよい。増粘剤としては、例えば、カルボキシメチルセルロース、メチルセルロースなどの多糖類を単独で、あるいは2種以上の混合物として用いることができる。塗布方法としては、例えば、アプリケータロールなどのローラコーティング、スクリーンコーティング、ドクターブレイド方式、スピンコーティング、バーコータなどが挙げられ、これらのいずれかを用いて任意の厚さ・形状とすることができる。この電極の集電体には、銅、ニッケル、ステンレス鋼、チタン、アルミニウム、焼成炭素、導電性高分子、導電性ガラス、Al-Cd合金などのほか、接着性、導電性及び耐還元性向上の目的で、例えば銅などの表面をカーボン、ニッケル、チタンや銀などで処理したものも用いることができる。これらについては、表面を酸化処理することも可能である。集電体の形状については、箔状、フィルム状、シート状、ネット状、パンチ又はエキスパンドされたもの、ラス体、多孔質体、発泡体、繊維群の形成体などが挙げられる。集電体の厚さは、例えば1~500μmのものが用いられる。 The negative electrode may be formed, for example, by mixing a metal organic framework, which is a negative electrode active material, with a conductive material and a binder as necessary, adding an appropriate solvent to form a paste-like electrode mixture, applying it to the surface of a current collector, drying it, and compressing it to increase the electrode density as necessary. The conductive material is not particularly limited as long as it is an electronically conductive material that does not adversely affect the electrode performance, and for example, a mixture of one or more of graphite such as natural graphite (scale graphite, scale graphite) or artificial graphite, acetylene black, carbon black, ketjen black, carbon whisker, needle coke, carbon fiber, and metals (copper, nickel, aluminum, silver, gold, etc.) can be used. Among these, carbon black and acetylene black are preferred as conductive materials from the viewpoint of electronic conductivity and coatability. The binder plays a role of binding the active material particles and the conductive material particles, and can be, for example, fluorine-containing resins such as polytetrafluoroethylene (PTFE), polyvinylidene fluoride (PVdF), fluorine rubber, or thermoplastic resins such as polypropylene and polyethylene, ethylene-propylene-diene mer (EPDM), sulfonated EPDM, natural butyl rubber (NBR), etc., used alone or as a mixture of two or more kinds. As a solvent for dispersing the active material, conductive material, and binder, for example, organic solvents such as N-methylpyrrolidone, dimethylformamide, dimethylacetamide, methyl ethyl ketone, cyclohexanone, methyl acetate, methyl acrylate, diethyltriamine, N,N-dimethylaminopropylamine, ethylene oxide, and tetrahydrofuran can be used. In addition, a dispersant, a thickener, etc. can be added to water, and the active material can be slurried with latex such as SBR. As a thickener, for example, polysaccharides such as carboxymethylcellulose and methylcellulose can be used alone or as a mixture of two or more kinds. Examples of application methods include roller coating such as applicator rolls, screen coating, doctor blade method, spin coating, bar coater, etc., and any of these can be used to obtain any thickness and shape. The current collector of this electrode can be made of copper, nickel, stainless steel, titanium, aluminum, baked carbon, conductive polymers, conductive glass, Al-Cd alloys, etc., or, for example, copper whose surface has been treated with carbon, nickel, titanium, silver, etc. for the purpose of improving adhesion, conductivity, and reduction resistance. The surfaces of these can also be oxidized. The shape of the current collector can be foil, film, sheet, net, punched or expanded, lath, porous, foamed, fiber group formed, etc. The thickness of the current collector is, for example, 1 to 500 μm.
本開示の蓄電デバイスにおいて、正極は、キャリアイオンであるアニオンの授受が可能な正極活物質を含む。言い換えると、正極は、キャリアイオンであるアニオンによって電荷補償されることが可能な正極活物質を含む。正極活物質は、アニオンの授受が可能なものであれば特に限定されず、例えば、炭素材料や、アニオン交換型導電性高分子、金属酸化物などが挙げられる。炭素材料としては、活性炭、黒鉛、カーボンブラックなどが挙げられる。炭素材料は、例えば活性炭を主成分とするものとしてもよいし、黒鉛を主成分とするものとしてもよい。ここで、「活性炭を主成分とする」とは、活性炭を50質量%以上、好ましくは90質量%以上、より好ましくは95質量%以上含むものとすることができる。黒鉛の場合も同様である。活性炭としては、例えば、フェノール樹脂や石炭、木炭、ヤシ殻などを原料とするものを用いることができる。活性炭は、比表面積が1000m2/g以上であることが好ましく、1500m2/g以上であることがより好ましい。比表面積が1000m2/g以上では、放電容量をより高めることができる。この活性炭の比表面積は、作製の容易性から3000m2/g以下であることが好ましく、2000m2/g以下であることがより好ましい。黒鉛としては、天然黒鉛(鱗状黒鉛、鱗片状黒鉛)や人造黒鉛などが挙げられるが、人造黒鉛であれば、蓄電デバイスの電位をより高めることができ、エネルギー密度を高めることができる点で好ましい。更に、アルカリ賦活した人造黒鉛を用いると、黒鉛の層間が広がりイオンの出入りが容易となり出力特性が向上するため、好ましい。具体的には、NaやKなどのアルカリを黒鉛に添加し、不活性雰囲気中、600℃~1000℃の高温で処理することにより、アルカリ賦活することができる。アニオン交換型導電性高分子としては、ビオロゲン高分子などが挙げられる。正極活物質として活性炭や黒鉛、アニオン交換型導電性高分子を用いれば、アニオンを可逆的に授受しやすく、好ましい。 In the power storage device of the present disclosure, the positive electrode includes a positive electrode active material capable of receiving and transferring anions, which are carrier ions. In other words, the positive electrode includes a positive electrode active material capable of being charge compensated by anions, which are carrier ions. The positive electrode active material is not particularly limited as long as it is capable of receiving and transferring anions, and examples thereof include carbon materials, anion exchange conductive polymers, metal oxides, and the like. Examples of carbon materials include activated carbon, graphite, carbon black, and the like. The carbon material may be, for example, a material mainly composed of activated carbon, or a material mainly composed of graphite. Here, "mainly composed of activated carbon" means that the material contains 50% by mass or more, preferably 90% by mass or more, and more preferably 95% by mass or more of activated carbon. The same applies to the case of graphite. As the activated carbon, for example, a material made from phenol resin, coal, charcoal, coconut shell, or the like can be used. The activated carbon preferably has a specific surface area of 1000 m 2 /g or more, and more preferably 1500 m 2 /g or more. When the specific surface area is 1000 m 2 /g or more, the discharge capacity can be further increased. The specific surface area of the activated carbon is preferably 3000 m 2 /g or less, more preferably 2000 m 2 /g or less, from the viewpoint of ease of preparation. Examples of graphite include natural graphite (scale graphite, flake graphite) and artificial graphite, and artificial graphite is preferable in that it can further increase the potential of the power storage device and increase the energy density. Furthermore, it is preferable to use artificial graphite activated with alkali, since the gap between the graphite layers is widened, making it easier for ions to enter and exit, and improving the output characteristics. Specifically, alkali activation can be performed by adding an alkali such as Na or K to graphite and treating it at a high temperature of 600°C to 1000°C in an inert atmosphere. Examples of anion-exchange conductive polymers include viologen polymers. If activated carbon, graphite, or anion-exchange conductive polymer is used as the positive electrode active material, it is preferable because it is easy to reversibly give and receive anions.
この正極は、例えば正極活物質と導電材と結着材とを混合し、適当な溶剤を加えてペースト状の正極材としたものを、集電体の表面に塗布乾燥し、必要に応じて電極密度を高めるべく圧縮して形成してもよい。正極に用いられる導電材、結着材、溶剤などは、それぞれ蓄電デバイス用電極で例示したものを用いることができる。正極の集電体としては、アルミニウム、チタン、ステンレス鋼、ニッケル、鉄、焼成炭素、導電性高分子、導電性ガラスなどのほか、接着性、導電性及び耐酸化性向上の目的で、アルミニウムや銅などの表面をカーボン、ニッケル、チタンや銀などで処理したものを用いることができる。これらについては、表面を酸化処理することも可能である。集電体の形状は、蓄電デバイス用電極と同様のものを用いることができる。 The positive electrode may be formed by, for example, mixing a positive electrode active material, a conductive material, and a binder, adding an appropriate solvent to form a paste-like positive electrode material, applying it to the surface of a current collector, drying it, and compressing it to increase the electrode density as necessary. The conductive material, binder, solvent, etc. used in the positive electrode may be the same as those exemplified for the electrode for the electric storage device. As the current collector for the positive electrode, in addition to aluminum, titanium, stainless steel, nickel, iron, baked carbon, conductive polymer, conductive glass, etc., aluminum or copper whose surface is treated with carbon, nickel, titanium, silver, etc. for the purpose of improving adhesion, conductivity, and oxidation resistance may be used. The surface of these may also be subjected to an oxidation treatment. The shape of the current collector may be the same as that of the electrode for the electric storage device.
この蓄電デバイスにおいて、イオン伝導媒体は、キャリアイオンであるアニオンを伝導可能なものであればよく、支持塩を含む非水電解液や非水系ゲル電解液などを用いることができる。このイオン伝導媒体は、イオン液体やカーボネート系などの有機溶媒を含むものとしてもよい。カーボネート系の有機溶媒を含むものとすれば、低温での凍結などを防止し、低温での出力特性などの低温特性をより良好にすることができる。また、カーボネート系の有機溶媒を添加すれば、粘度を低下させて出力特性を良好にすることができる。有機溶媒としては、例えば、エチレンカーボネートやプロピレンカーボネート、ビニレンカーボネート、ブチレンカーボネート、クロロエチレンカーボネートなどの環状カーボネート類や、ジメチルカーボネート、エチルメチルカーボネート、ジエチルカーボネート、エチル-n-ブチルカーボネート、メチル-t-ブチルカーボネート、ジ-i-プロピルカーボネート、t-ブチル-i-プロピルカーボネートなどの鎖状カーボネート類、γ-ブチルラクトン、γ-バレロラクトンなどの環状エステル類、ギ酸メチル、酢酸メチル、酢酸エチル、酪酸メチルなどの鎖状エステル類、ジメトキシエタン、エトキシメトキシエタン、ジエトキシエタンなどのエーテル類、アセトニトリル、ベンゾニトリルなどのニトリル類、テトラヒドロフラン、メチルテトラヒドロフラン、などのフラン類、スルホラン、テトラメチルスルホランなどのスルホラン類、1,3-ジオキソラン、メチルジオキソランなどのジオキソラン類などが挙げられる。このうち、環状カーボネート類と鎖状カーボネート類との組み合わせが好ましい。 In this electricity storage device, the ionically conductive medium may be any medium capable of conducting anions, which are carrier ions, and may be a non-aqueous electrolyte solution containing a supporting salt or a non-aqueous gel electrolyte solution. This ionically conductive medium may contain an ionic liquid or an organic solvent such as a carbonate-based solvent. If the medium contains a carbonate-based organic solvent, freezing at low temperatures can be prevented, and low-temperature characteristics such as output characteristics at low temperatures can be improved. Furthermore, the addition of a carbonate-based organic solvent can reduce the viscosity and improve the output characteristics. Examples of the organic solvent include cyclic carbonates such as ethylene carbonate, propylene carbonate, vinylene carbonate, butylene carbonate, and chloroethylene carbonate; chain carbonates such as dimethyl carbonate, ethyl methyl carbonate, diethyl carbonate, ethyl-n-butyl carbonate, methyl-t-butyl carbonate, di-i-propyl carbonate, and t-butyl-i-propyl carbonate; cyclic esters such as γ-butyl lactone and γ-valerolactone; chain esters such as methyl formate, methyl acetate, ethyl acetate, and methyl butyrate; ethers such as dimethoxyethane, ethoxymethoxyethane, and diethoxyethane; nitriles such as acetonitrile and benzonitrile; furans such as tetrahydrofuran and methyltetrahydrofuran; sulfolanes such as sulfolane and tetramethylsulfolane; and dioxolanes such as 1,3-dioxolane and methyldioxolane. Of these, a combination of cyclic carbonates and chain carbonates is preferred.
イオン液体は、常温で溶融しているカチオンとアニオンとの塩であるが、カチオンとしては、イミダゾリウム、アンモニウム、コリン、ピリジニウム、ピペリジニウムなどが挙げられる。イミダゾリウムとしては、1-(ヒドロキシエチル)-3-メチルイミダゾリウム、1-メチル-3-オクチルイミダゾリウム等が挙げられ、アンモニウムとしては、N,N-ジメチルアンモニウム、テトラブチルアンモニウム等が挙げられ、ピリジニウムとしては、1-ブチル-3-メチルピリジニウムや1-ブチルピリジニウム等が挙げられ、ピペリジニウムとしては、1-エチル-1-メチルピペリジニウム等が挙げられる。また、アニオンとしては、BF4 -、PF6 -、ClO4 -、CF3SO3 -、TFSI-、BETI-、Br-、Cl-、F-などのうち1以上が挙げられる。アニオンをBF4 -とするものとしては、具体的には、ジエチルメチル(2メトキシエチル)アンモニウム・BF4などが挙げられる。アニオンをTFSIとするものとしては、具体的には、N-メチル-N-プロピルピペリジニウムビス(トリフルオロメタンスルホニル)イミド(PP13TFSI)、1-エチル-3-メチル-イミダゾリウムビス(トリフルオロメタンスルホニル)イミド(EMITFSI)、N,N,N-トリメチル-N-プロピルアンモニウムビス(トリフルオロメタンスルホニル)イミド(TMPATFSI)、N,N-ジエチル-N-メチル-N-(2-メトキシエチル)アンモニウムビス(トリフルオロメタンスルホニル)イミドなどが挙げられる。このうち、ジエチルメチル(2メトキシエチル)アンモニウム・BF4が好ましい。イオン液体と有機溶媒とを混合して用いる場合、イオン液体の濃度は、0.5M以上2.0M以下が望ましい。 Ionic liquids are salts of cations and anions that are molten at room temperature. Examples of the cations include imidazolium, ammonium, choline, pyridinium, and piperidinium. Examples of the imidazolium include 1-(hydroxyethyl)-3-methylimidazolium and 1-methyl-3-octylimidazolium. Examples of the ammonium include N,N-dimethylammonium and tetrabutylammonium. Examples of the pyridinium include 1-butyl-3-methylpyridinium and 1-butylpyridinium. Examples of the piperidinium include 1-ethyl-1-methylpiperidinium. Examples of the anion include one or more of BF 4 - , PF 6 - , ClO 4 - , CF 3 SO 3 - , TFSI - , BETI - , Br - , Cl - , and F - . Specific examples of the anion that is BF 4 - include diethylmethyl(2-methoxyethyl)ammonium.BF 4 . Specific examples of the anion TFSI include N-methyl-N-propylpiperidinium bis(trifluoromethanesulfonyl)imide (PP13TFSI), 1-ethyl-3-methyl-imidazolium bis(trifluoromethanesulfonyl)imide (EMITFSI), N,N,N-trimethyl-N-propylammonium bis(trifluoromethanesulfonyl)imide (TMPATFSI), and N,N-diethyl-N-methyl-N-(2-methoxyethyl)ammonium bis(trifluoromethanesulfonyl)imide. Among these, diethylmethyl(2-methoxyethyl) ammonium.BF4 is preferred. When the ionic liquid is mixed with an organic solvent, the concentration of the ionic liquid is preferably 0.5M or more and 2.0M or less.
支持塩は、例えば、アルカリ金属カチオンを有するものとしてもよいし、非金属カチオンを有するものとしてもよい。アルカリ金属カチオンは、例えば、Li+、Na+、K+などとしてもよい。非金属カチオンは、四級アンモニウムカチオンとしてもよく、具体的には、テトラエチルアンモニウムカチオン(Et4N+)、トリエチル-メチルアンモニウムカチオン、テトラブチルアンモニウムカチオン、ジエチル-メチル-(2-メトキシエチル)アンモニウムカチオン、トリメチル-プロピルアンモニウムカチオンなどの鎖状飽和化合物としてもよい。また、四級アンモニウムカチオンは、イミニウムカチオン、ジアゾニウムカチオンなどの鎖状不飽和化合物としてもよいし、イミダゾリウムカチオン、ピリジニウムカチオンなどの環状不飽和化合物としてもよいし、ピロリジニウムカチオン、ピペリジニウムカチオンなどの環状飽和化合物としてもよい。環状の四級アンモニウムカチオンは、単環型でも多環型でもよく、多環型の場合には縮合多環型やスピロ-(1,1’)-ビピロリジニウムカチオンなどのスピロ型でもよい。四級アンモニウムカチオンは、例えば、分子量が18以上500以下のものとしてもよい。支持塩は、アルカリ金属カチオンを有することが好ましく、Li+を有することがより好ましい。アルカリ金属カチオン(特にLi+)は、溶媒和により、アニオンに比べ移動度が低下するため、結果としてアニオン移動度が高くなり、アニオン移動型の蓄電デバイスに適している。支持塩において、カチオンと対をなすアニオンは、例えば、BF4 -、PF6 -、SiF6 2-、SbF6 -、ClO4 -、B(CN)4 -、[(C2F5)3PF3]-、[(CN)2N]-、CF3SO3 -、CF3CO2 -、N(FSO2)2 -、N(CF3SO2)2 -、N(C2F5SO2)2 -などとしてもよい。支持塩は、例えば、LiBF4としてもよいし、Et4NBF4としてもよい。この支持塩は、非水電解液中の濃度が0.1mol/L以上5mol/L以下であることが好ましく、0.5mol/L以上2mol/L以下であることがより好ましい。支持塩の濃度が0.1mol/L以上では、十分な電流密度を得ることができ、5mol/L以下では、電解液をより安定させることができる。なお、支持塩やイオン液体に含まれるアニオンは、金属有機構造体に含まれるアニオンと同種のものが好ましい。この非水電解液には、リン系、ハロゲン系などの難燃剤を添加してもよい。 The supporting salt may have, for example, an alkali metal cation or a nonmetallic cation. The alkali metal cation may be, for example, Li + , Na + , or K + . The nonmetallic cation may be a quaternary ammonium cation, specifically, a chain-like saturated compound such as a tetraethylammonium cation (Et 4 N + ), a triethyl-methylammonium cation, a tetrabutylammonium cation, a diethyl-methyl-(2-methoxyethyl)ammonium cation, or a trimethyl-propylammonium cation. The quaternary ammonium cation may be a chain-like unsaturated compound such as an iminium cation or a diazonium cation, a cyclic unsaturated compound such as an imidazolium cation or a pyridinium cation, or a cyclic saturated compound such as a pyrrolidinium cation or a piperidinium cation. The cyclic quaternary ammonium cation may be a monocyclic or polycyclic type, and in the case of a polycyclic type, it may be a condensed polycyclic type or a spiro type such as a spiro-(1,1')-bipyrrolidinium cation. The quaternary ammonium cation may have, for example, a molecular weight of 18 to 500. The supporting salt preferably has an alkali metal cation, more preferably Li + . The mobility of the alkali metal cation (particularly Li + ) is reduced by solvation compared to that of the anion, resulting in high anion mobility, which is suitable for an anion migration type electricity storage device. In the supporting salt, the anion paired with the cation may be, for example, BF 4 - , PF 6 - , SiF 6 2- , SbF 6 - , ClO 4 - , B(CN) 4 - , [(C 2 F 5 ) 3 PF 3 ] - , [(CN) 2 N] - , CF 3 SO 3 - , CF 3 CO 2 - , N(FSO 2 ) 2 - , N(CF 3 SO 2 ) 2 - , or N(C 2 F 5 SO 2 ) 2 - . The supporting salt may be, for example, LiBF 4 or Et 4 NBF 4 . The concentration of this supporting salt in the non-aqueous electrolyte is preferably 0.1 mol/L or more and 5 mol/L or less, more preferably 0.5 mol/L or more and 2 mol/L or less. When the concentration of the supporting salt is 0.1 mol/L or more, a sufficient current density can be obtained, and when the concentration is 5 mol/L or less, the electrolyte can be more stabilized. The anions contained in the supporting salt and the ionic liquid are preferably the same as the anions contained in the metal organic framework. A phosphorus-based, halogen-based, or other flame retardant may be added to the nonaqueous electrolyte.
本開示の蓄電デバイスは、正極と負極との間にセパレータを備えていてもよい。セパレータとしては、蓄電デバイスの使用範囲に耐えうる組成であれば特に限定されないが、例えば、ガラス繊維製のガラスフィルタや、ポリプロピレン製不織布、ポリフェニレンスルフィド製不織布などの高分子不織布、ポリエチレンやポリプロピレンなどのオレフィン系樹脂の薄い微多孔膜が挙げられる。このうち、ガラスフィルタであれば、例えばBF4系のイオン液体などの電解液との濡れ性が良好であり、アニオンの移動を円滑にすることができる。これらは単独で用いてもよいし、複数を混合して用いてもよい。 The power storage device of the present disclosure may include a separator between the positive electrode and the negative electrode. The separator is not particularly limited as long as it has a composition that can withstand the range of use of the power storage device, and examples of the separator include glass filters made of glass fibers, polymer nonwoven fabrics such as polypropylene nonwoven fabrics and polyphenylene sulfide nonwoven fabrics, and thin microporous membranes of olefin resins such as polyethylene and polypropylene. Of these, glass filters have good wettability with electrolytes such as BF4-based ionic liquids, and can facilitate the movement of anions. These may be used alone or in combination.
本開示の蓄電デバイスの形状は、特に限定されないが、例えばコイン型、ボタン型、シート型、積層型、円筒型、偏平型、角型などが挙げられる。また、電気自動車等に用いる大型のものなどに適用してもよい。この蓄電デバイスの一例を図3に示す。図3は、蓄電デバイス20の構成の概略を表す断面図である。この蓄電デバイス20は、カップ形状の電池ケース21と、この電池ケース21の内部に設けられた正極22と、正極22に対してセパレータ24を介して対向する位置に設けられた負極23と、支持塩を含む非水電解液27と、絶縁材により形成されたガスケット25と、電池ケース21の開口部に配設されガスケット25を介して電池ケース21を密封する封口板26と、を備えている。負極23は上述した金属有機構造体を含み、正極22はキャリアイオンであるアニオンの授受が可能な正極活物質を含んでいる。非水電解液27は、キャリアイオンであるアニオンを伝導可能であり、例えば、アルカリ金属カチオンを有する支持塩や非金属カチオンを有する支持塩を含んでいる。
The shape of the electricity storage device of the present disclosure is not particularly limited, and examples thereof include coin type, button type, sheet type, laminated type, cylindrical type, flat type, and square type. In addition, it may be applied to large ones used in electric vehicles and the like. An example of this electricity storage device is shown in FIG. 3. FIG. 3 is a cross-sectional view showing an outline of the configuration of the
図4に、本開示の蓄電デバイスの一例であるアニオン放出負極利用キャパシタの作動原理の一例の模式図を示す。アニオン放出負極利用キャパシタでは、充電時には負極からアニオンが放出され正極にこのアニオンが吸着され、放電時には正極からアニオンが脱離し負極にこのアニオンが吸蔵される。 Figure 4 shows a schematic diagram of an example of the operating principle of a capacitor using an anion-releasing negative electrode, which is an example of an electricity storage device of the present disclosure. In a capacitor using an anion-releasing negative electrode, anions are released from the negative electrode during charging and are adsorbed to the positive electrode, and anions are released from the positive electrode during discharging and are absorbed by the negative electrode.
以上詳述した本開示では、新規な蓄電デバイスを提供できる。金属有機構造体では、アニオンの授受が可能である。そのため、アニオンの移動により充放電しアニオンを電荷のキャリアとする新規な蓄電デバイスを提供することができる。こうした効果が得られる理由は、以下のように推察される。例えば、負極に含まれる金属有機構造体は、遷移金属を用いて三次元構造体を形成することで、構造体にネットワークが形成され、アニオン授受可能なパスを構造体内部に形成することで、アニオン授受による可逆な充放電が可能になるものと推察される。また、本開示の蓄電デバイスでは、アニオンをキャリアとして用いる蓄電デバイスであるため、例えばLiイオン電池などに比して、過負荷によるショートなどの発生を著しく低くすることができる。また、蓄電系はキャパシタ的な挙動でアニオンの出し入れを行うため、高出力が期待される。また構成される電極は、いずれも大気中で安定であるため、その製造過程も非常に容易である。更に、遷移金属元素により、三次元構造体を形成するため、特別な工程や特定の工程を経ずに金属有機構造体を作製することができる。なお、アルカリ金属元素により三次元構造体を形成する場合、アルカリ金属イオンとアニオンとが優先的に塩を形成するため、噴霧乾燥法など特定の製造方法による必要があり、目的の結晶合成が比較的困難である。さらにまた、本開示の蓄電デバイスでは、正極及び負極で充放電に関与するのがアニオンであるため、アルカリ金属の析出等のおそれがリチウムイオン電池などよりも極めて低く、より安全性が高い。そして、アニオンの移動のみで充放電反応が進行し電解液中のアニオン濃度の変化が小さいため、リザーブ型電池などよりも電解液の量を少なくすることができ、エネルギー密度をより高めることができる。 The present disclosure described above in detail can provide a new electricity storage device. The metal organic framework can transfer anions. Therefore, a new electricity storage device can be provided in which the movement of anions charges and discharges the anions, and the anions serve as charge carriers. The reason for obtaining such an effect is presumed to be as follows. For example, the metal organic framework contained in the negative electrode is presumed to form a three-dimensional structure using a transition metal, forming a network in the structure, and forming a path within the structure that allows anions to be transferred, thereby enabling reversible charging and discharging by transfer of anions. In addition, since the electricity storage device disclosed herein is an electricity storage device that uses anions as carriers, the occurrence of short circuits due to overload can be significantly reduced compared to, for example, Li-ion batteries. In addition, since the electricity storage system transfers anions in and out with a capacitor-like behavior, high output is expected. In addition, since the electrodes that are constructed are all stable in the air, the manufacturing process is very easy. Furthermore, since a three-dimensional structure is formed using transition metal elements, the metal organic framework can be produced without going through special or specific processes. In addition, when forming a three-dimensional structure using an alkali metal element, alkali metal ions and anions preferentially form salts, so a specific manufacturing method such as a spray drying method is required, and the synthesis of the desired crystals is relatively difficult. Furthermore, in the energy storage device disclosed herein, since it is anions that are involved in charging and discharging at the positive and negative electrodes, the risk of alkali metal precipitation is extremely low compared to lithium ion batteries, and the device is safer. Furthermore, since the charging and discharging reaction proceeds only through the movement of anions and the change in the anion concentration in the electrolyte is small, the amount of electrolyte can be reduced compared to reserve batteries, and the energy density can be increased.
なお、本開示は上述した実施形態に何ら限定されることはなく、本開示の技術的範囲に属する限り種々の態様で実施し得ることはいうまでもない。 It goes without saying that the present disclosure is in no way limited to the above-described embodiments, and may be implemented in various forms as long as they fall within the technical scope of the present disclosure.
例えば、上述した実施形態では、金属有機構造体の用途を蓄電デバイスの技術分野としたが、特にこれに限定されず、半導体的性質を利用したデバイスに用いられる材料としてもよい。あるいは、本開示の金属有機構造体は、三次元構造体内に存在するネットワークにより生じる比表面積及び細孔を利用した、吸着剤や触媒、触媒担体に用いられる材料としてもよい。 For example, in the above-described embodiment, the metal organic framework is used in the technical field of electricity storage devices, but the use is not particularly limited thereto, and the metal organic framework may be used as a material for devices utilizing semiconductor properties. Alternatively, the metal organic framework of the present disclosure may be used as a material for an adsorbent, catalyst, or catalyst carrier, utilizing the specific surface area and pores generated by the network present in the three-dimensional structure.
以下には、本開示の蓄電デバイスの負極に用いる金属有機構造体を具体的に合成し、その特性を検討した例を参考例として説明する。また、本開示の蓄電デバイスを具体的に作製し充放電試験を実施した例を実施例として説明する。なお、実験例1~3が参考例に相当し実験例4,5が実施例に相当する。 Below, a reference example is described in which a metal-organic framework used in the negative electrode of the electricity storage device of the present disclosure is specifically synthesized and its characteristics are examined. In addition, a working example is described in which a electricity storage device of the present disclosure is specifically fabricated and a charge/discharge test is performed. Experimental examples 1 to 3 correspond to reference examples, and experimental examples 4 and 5 correspond to working examples.
1.金属有機構造体の合成及び特性の検討
(ビオロゲンジカルボン酸銅の合成)
[実験例1]
以下の合成スキームに従って、本開示の金属有機構造体の原料であるビオロゲンジカルボン酸、及び本開示の金属有機構造体ビオロゲンジカルボン酸銅を合成した。
1. Synthesis of metal-organic frameworks and characterization (synthesis of copper viologen dicarboxylate)
[Experimental Example 1]
According to the following synthesis scheme, viologen dicarboxylic acid, which is a raw material of the metal organic framework of the present disclosure, and viologen dicarboxylate copper, which is a metal organic framework of the present disclosure, were synthesized.
(1)7.0gの4,4’-ビピリジンと15.0gのエチルブロモ酢酸とを200mLのアセトニトリルに溶解し24時間加熱環流した。室温まで冷却した後、ろ過してエタノールで洗浄し、合成中間体(1)を得た。 (1) 7.0 g of 4,4'-bipyridine and 15.0 g of ethyl bromoacetate were dissolved in 200 mL of acetonitrile and heated under reflux for 24 hours. After cooling to room temperature, the mixture was filtered and washed with ethanol to obtain synthetic intermediate (1).
(2)21.0gの合成中間体(1)を120mLの10%塩酸水溶液に溶解し24時間加熱還流し、室温まで冷却し溶媒を留去し、合成中間体(2)を得た。合成中間体(2)は既知の材料である(Dalton Trans., 2010, vol.39, pp7714-7722)。 (2) 21.0 g of synthetic intermediate (1) was dissolved in 120 mL of 10% aqueous hydrochloric acid and heated under reflux for 24 hours, cooled to room temperature, and the solvent was distilled off to obtain synthetic intermediate (2). Synthetic intermediate (2) is a known material (Dalton Trans., 2010, vol.39, pp7714-7722).
(3)16.0gの合成中間体(2)を100mLの水に溶解し、13.8gのテトラフルオロホウ酸リチウムを溶解した50mLの水を加え撹拌した。得られた粉末をろ過し、エタノールで洗浄し、合成中間体(3)を得た。 (3) 16.0 g of synthetic intermediate (2) was dissolved in 100 mL of water, and 50 mL of water containing 13.8 g of lithium tetrafluoroborate was added and stirred. The resulting powder was filtered and washed with ethanol to obtain synthetic intermediate (3).
(4)15.42gの合成中間体(3)を150mLの水に溶解し、1.64gの水酸化リチウムを溶解した50mLの水を加え撹拌した。この溶液を室温で蒸発乾固した。得られた粉末4.59gを分取し、60mLの水に溶解した。この溶液に2.37gのテトラフルオロホウ酸銅を加え、撹拌、溶解した。この調製溶液にエタノールを加え、生成した粉末を濾過した。得られた粉末は、青緑色であった。この粉末を実験例1の金属有機構造体とした。 (4) 15.42 g of synthetic intermediate (3) was dissolved in 150 mL of water, and 50 mL of water containing 1.64 g of lithium hydroxide was added and stirred. This solution was evaporated to dryness at room temperature. 4.59 g of the resulting powder was taken and dissolved in 60 mL of water. 2.37 g of copper tetrafluoroborate was added to this solution, stirred, and dissolved. Ethanol was added to this prepared solution, and the resulting powder was filtered. The resulting powder was blue-green. This powder was used as the metal-organic framework of Experimental Example 1.
[実験例2、3]
実験例1の金属有機構造体を70℃、6時間、真空乾燥機により2Paで乾燥したものを実験例2の金属有機構造体とした。実験例1の金属有機構造体を120℃、6時間、真空乾燥機により2Paで乾燥したものを実験例3の金属有機構造体とした。
[Experimental Examples 2 and 3]
The metal-organic framework of Experimental Example 1 was dried at 70° C. for 6 hours at 2 Pa using a vacuum dryer to obtain a metal-organic framework of Experimental Example 2. The metal-organic framework of Experimental Example 1 was dried at 120° C. for 6 hours at 2 Pa using a vacuum dryer to obtain a metal-organic framework of Experimental Example 3.
(単結晶X線構造解析)
実験例1の金属有機構造体の粉末に対して単結晶X線構造解析を行った。この測定は、放射線としてCuKα線(波長1.54051Å)を使用し、X線回折装置(リガク製UltimaIV)を用いて行った。また、測定は、X線の単色化にはグラファイトの単結晶モノクロメーターを用い、印加電圧を40kV、電流30mAに設定し、5°/分の走査速度、2θ=5°~60°の角度範囲で行った。表1に測定結果から求められた結晶系、格子定数、空間群をまとめた。表1に示すように、実験例1は、正方晶系であり、格子定数がa=28.8026(5)Å、c=10.8477(2)Å、V=8999.1(3)Å3、空間群I41/acd(#142)の構造を有することが明らかとなった(図1の構造参照)。
(Single crystal X-ray structure analysis)
A single crystal X-ray structure analysis was performed on the powder of the metal organic framework of Experimental Example 1. This measurement was performed using CuKα radiation (wavelength 1.54051 Å) and an X-ray diffractometer (Ultima IV manufactured by Rigaku). The measurement was performed using a graphite single crystal monochromator to monochromatize the X-rays, with an applied voltage of 40 kV and a current of 30 mA, a scanning speed of 5°/min, and an angle range of 2θ = 5° to 60°. Table 1 summarizes the crystal system, lattice constant, and space group obtained from the measurement results. As shown in Table 1, it was revealed that Experimental Example 1 has a tetragonal system, lattice constants of a = 28.8026(5) Å, c = 10.8477(2) Å, V = 8999.1(3) Å 3 , and a structure of space group I4 1 /acd(#142) (see the structure in Figure 1).
(熱重量分析(TG))
実験例1の金属有機構造体の粉末に対して熱重量分析を行った。熱重量分析は、島津製作所製TGA-50を用い、サンプル量0.0365g、昇温速度10℃/分、温度範囲を20℃~900℃で行った。図5は、実験例1の熱重量分析(TG)の測定結果である。図5に示すように、実験例1を加熱すると、600℃程度まで重量減少が継続して観察された。また、実験例1では、86℃において12質量%の質量減少がみられた。これは、結晶中に取り込まれた水6分子に対応する質量であった。この測定結果より、実験例1の金属有機構造体は、200℃以下、好ましくは150℃以下、より好ましくは120℃以下、更に好ましくは80℃以下で加熱することが好ましいと推察された。
(Thermogravimetric analysis (TG))
Thermogravimetric analysis was performed on the powder of the metal organic framework of Experimental Example 1. The thermogravimetric analysis was performed using a Shimadzu TGA-50 with a sample amount of 0.0365 g, a heating rate of 10°C/min, and a temperature range of 20°C to 900°C. FIG. 5 shows the measurement results of thermogravimetric analysis (TG) of Experimental Example 1. As shown in FIG. 5, when Experimental Example 1 was heated, weight loss was observed to continue up to about 600°C. Furthermore, in Experimental Example 1, a mass loss of 12% by mass was observed at 86°C. This was a mass corresponding to six molecules of water incorporated in the crystal. From this measurement result, it was inferred that the metal organic framework of Experimental Example 1 is preferably heated at 200°C or less, preferably 150°C or less, more preferably 120°C or less, and even more preferably 80°C or less.
(X線回折測定)
実験例1、2の金属有機構造体の粉末に対してX線回折測定を行った。この測定は、放射線としてCuKα線(波長1.54051Å)を使用し、X線回折装置(リガク製UltimaIV)を用いて行った。また、測定は、X線の単色化にはグラファイトの単結晶モノクロメーターを用い、印加電圧を40kV、電流30mAに設定し、5°/分の走査速度、2θ=5°~80°の角度範囲で行った。図6は、実験例1、2の試料のXRDプロファイルである。なお、70℃で真空乾燥した実験例2では、粉末は、青緑から黒色に変化した。図6に示すように、加熱処理により、ピーク強度は変化したが、ピーク位置はほぼ変わらなかった。実験例1,2では、2θが5°~35°の間にピークが存在した。なお、実験例1の粉末を90℃で加熱処理したものも検討したが、構造がほとんど変化しないことを確認することができた。
(X-ray diffraction measurement)
X-ray diffraction measurements were performed on the powders of the metal organic frameworks of Experimental Examples 1 and 2. The measurements were performed using CuKα radiation (wavelength 1.54051 Å) and an X-ray diffractometer (Ultima IV manufactured by Rigaku). The measurements were performed using a graphite single crystal monochromator to monochromatize the X-rays, with an applied voltage of 40 kV and a current of 30 mA, a scanning speed of 5°/min, and an angle range of 2θ = 5° to 80°. FIG. 6 shows the XRD profiles of the samples of Experimental Examples 1 and 2. In Experimental Example 2, which was vacuum dried at 70°C, the powder changed from blue-green to black. As shown in FIG. 6, the peak intensity changed due to the heat treatment, but the peak position was almost unchanged. In Experimental Examples 1 and 2, peaks were present between 2θ of 5° and 35°. The powder of Experimental Example 1 was also examined after heat treatment at 90°C, and it was confirmed that the structure was almost unchanged.
(IRスペクトル測定)
実験例1、2に対して、赤外線吸収(IR)スペクトル測定を検討した。この測定は、Thermo Nicolet製のAvatar 360 FT-IRを用いて、600~4000cm-1の範囲で行った。図7は、実験例1~3の試料のIRスペクトルである。図7Aには、中間合成体(3)のIRスペクトルも示した。また、図7Bには、乾燥時の加熱温度を40℃,60℃,80℃,100℃に変えた以外は実験例3と同様に得られた金属有機構造体のIRスペクトルも示した。図7Aに示すように、実験例1~3及び中間合成体(3)では、1000cm-1付近にBF4アニオンに帰属される吸収が確認された。これは中間合成体(3)の合成において、ブロモイオンからBF4アニオンに交換できたことを意味する。また、1400cm-1から1750cm-1にかけて、カルボキシ基に帰属される吸収が確認されるが、実験例1~3では、中間合成体(3)で確認されたCOOHに帰属される吸収が確認されず、1630cm-1に、COOCuのカルボキシ基に帰属される吸収が確認された。これは、実験例1~3では、カルボン酸アニオンにCuが配位していることを示す。また、真空乾燥によって得られた実験例2,3では、実験例1に対して、3430cm-1付近の水に相当する吸収ピークの変化が確認された。このため、実験例2,3では、実験例1に比して結晶中の水が消失していることが確認された。結晶中の水の消失に関し、図7A及び図7Bに示すように、加熱温度が40℃、60℃、70℃と高くなるに従って、より多くの水が除去されるため、好ましいことがわかった。また、加熱温度が70℃~100℃の間では、水に相当する吸収ピークがほとんど変化しなかったことから、加熱温度は、70℃以上100℃以下が好ましいことがわかった。
(IR Spectrum Measurement)
Infrared absorption (IR) spectrum measurement was performed on Experimental Examples 1 and 2. This measurement was performed in the range of 600 to 4000 cm −1 using an Avatar 360 FT-IR manufactured by Thermo Nicolet. FIG. 7 shows the IR spectrum of the samples of Experimental Examples 1 to 3. FIG. 7A also shows the IR spectrum of the intermediate synthetic product (3). FIG. 7B also shows the IR spectrum of the metal organic framework obtained in the same manner as in Experimental Example 3 except that the heating temperature during drying was changed to 40° C., 60° C., 80° C., and 100° C. As shown in FIG. 7A, in Experimental Examples 1 to 3 and the intermediate synthetic product (3), absorption attributable to BF 4 anion was confirmed near 1000 cm −1 . This means that in the synthesis of the intermediate synthetic product (3), bromo ion was exchanged with BF 4 anion. In addition, the absorption attributable to the carboxy group was observed from 1400 cm -1 to 1750 cm -1 , but in Experimental Examples 1 to 3, the absorption attributable to COOH confirmed in the intermediate synthetic product (3) was not confirmed, and the absorption attributable to the carboxy group of COOCu was confirmed at 1630 cm -1 . This indicates that Cu is coordinated to the carboxylate anion in Experimental Examples 1 to 3. In Experimental Examples 2 and 3 obtained by vacuum drying, a change in the absorption peak corresponding to water near 3430 cm -1 was confirmed compared to Experimental Example 1. Therefore, it was confirmed that water in the crystals disappeared in Experimental Examples 2 and 3 compared to Experimental Example 1. As for the disappearance of water in the crystals, as shown in Figures 7A and 7B, it was found that as the heating temperature increases to 40°C, 60°C, and 70°C, more water is removed, which is preferable. In addition, since the absorption peak corresponding to water hardly changed between the heating temperatures of 70°C and 100°C, it was found that the heating temperature is preferably 70°C or more and 100°C or less.
(UVスペクトル測定)
実験例1、2に対して、紫外線吸収(UV)スペクトル測定を検討した。この測定は、日本分光製V-780を用いて、200~1600nmの波長範囲で行った。図8は、実験例1~3の試料のUVスペクトルである。この測定結果を用いて、バンドギャップの見積もりを行った。バンドギャップは、数式(1)を用いた。ここで、数式(1)では、αが吸収係数、νが光周波数、Aが比例定数、Egがバンドギャップ(eV)である。数式(1)において、nは、測定試料の遷移によって決まり、直接遷移では、n=1,数式(2)であり、間接遷移では、n=4,数式(3)である。数式(2)、(3)を用いて、直接遷移バンドギャップと間接遷移バンドギャップを求めた。図9は、実験例1~3の試料の直接遷移バンドギャップの関係図である。図10は、実験例1~3の試料の間接遷移バンドギャップの関係図である。図9、10に示すように、UVスペクトルの測定結果から得られる近似直線とX軸との交点からバンドギャップを見積もることができる。得られた値を表2にまとめた。実験例1~3の金属有機構造体では、乾燥温度を70℃や120℃などの範囲で変更すると、バンドギャップが0.5~3.0eVの範囲にあることから、実験例1~3では、半導体的性質を有することが示唆された。この金属有機構造体では、加熱処理温度を変更することによって、バンドギャップを上記範囲内で任意の値に調整することができることがわかった。
(UV Spectrum Measurement)
Ultraviolet absorption (UV) spectrum measurements were performed for Experimental Examples 1 and 2. This measurement was performed in the wavelength range of 200 to 1600 nm using a V-780 manufactured by JASCO. FIG. 8 shows the UV spectrum of the samples of Experimental Examples 1 to 3. Using this measurement result, the band gap was estimated. The band gap was calculated using formula (1). In formula (1), α is the absorption coefficient, ν is the optical frequency, A is a proportionality constant, and Eg is the band gap (eV). In formula (1), n is determined by the transition of the measured sample, and for direct transition, n=1, formula (2), and for indirect transition, n=4, formula (3). Using formulas (2) and (3), the direct transition band gap and the indirect transition band gap were calculated. FIG. 9 is a relationship diagram of the direct transition band gap of the samples of Experimental Examples 1 to 3. FIG. 10 is a relationship diagram of the indirect transition band gap of the samples of Experimental Examples 1 to 3. As shown in Figures 9 and 10, the band gap can be estimated from the intersection of the approximation line obtained from the measurement results of the UV spectrum and the X-axis. The obtained values are summarized in Table 2. In the metal-organic frameworks of Experimental Examples 1 to 3, when the drying temperature was changed within a range of 70°C, 120°C, etc., the band gap was in the range of 0.5 to 3.0 eV, suggesting that Experimental Examples 1 to 3 have semiconducting properties. It was found that in this metal-organic framework, the band gap can be adjusted to any value within the above range by changing the heat treatment temperature.
(ビオロゲンジカルボン酸Cu電極の作製)
上記手法で作製した実験例2のビオロゲンジカルボン酸Cuを70質量%、粒子状炭素導電材としてカーボンブラック(東海カーボン、TB5500)を25質量%、結着材としてポリフッ化ビニリデン(PTFE,KFポリマ,クレハ製)を5質量%、分散材としてN-メチル-2-ピロリドンを適量添加、分散して電極合材とした。この電極合材10mgをステンレスメッシュに押しつけ、2cm2の円板状の電極とした。
(Preparation of viologen dicarboxylate Cu electrode)
An electrode mixture was prepared by adding and dispersing 70% by mass of viologen dicarboxylate Cu of Experimental Example 2 prepared by the above method, 25% by mass of carbon black (TB5500, Tokai Carbon) as a particulate carbon conductive material, 5% by mass of polyvinylidene fluoride (PTFE, KF Polymer, manufactured by Kureha) as a binder, and an appropriate amount of N-methyl-2-pyrrolidone as a dispersant. 10 mg of this electrode mixture was pressed against a stainless steel mesh to form a 2 cm2 disk-shaped electrode.
(二極式評価セルの作製)
エチレンカーボネート、ジメチルカーボネート及びエチルメチルカーボネートを体積比で30:40:30の割合で混合した非水溶媒に、支持電解質のLiBF4を1.0モル/Lになるように添加して非水電解液を作製した。上記の手法にて作製した実験例2のビオロゲンジカルボン酸Cu電極を作用極とし、リチウム金属箔(厚み300μm)を対極として、両電極の間に上記非水電解液を含浸させたセパレータ(東レ東燃製)を挟んで二極式評価セルを作製した。
(Preparation of bipolar evaluation cell)
A non-aqueous electrolyte was prepared by adding LiBF4 as a supporting electrolyte to a non-aqueous solvent in a volume ratio of 30:40:30. The viologen dicarboxylate Cu electrode of Experimental Example 2 prepared by the above method was used as a working electrode, lithium metal foil (thickness 300 μm) was used as a counter electrode, and a separator (manufactured by Toray Tonen Co., Ltd.) impregnated with the above non-aqueous electrolyte was sandwiched between the two electrodes to prepare a bipolar evaluation cell.
(充放電試験)
上述した二極式評価セルを用い、20℃の温度環境下、0.05mA(0.1C相当)で1.5Vまで還元し、その後、0.05mAで3.0Vまで酸化し、この還元と酸化の操作を合計10回行った。各操作における還元容量と酸化容量を求め、還元容量を放電容量とし、酸化容量を充電容量とした。1サイクル目の充放電カーブから初期容量Q1(mAh/g)を求め、初期容量Q1(mAh/g)と、10サイクル目の容量Q10(mAh/g)とを用い、Q10/Q1×100の式から容量維持率(%)を算出した。
(Charge/discharge test)
Using the bipolar evaluation cell described above, the cell was reduced to 1.5 V at 0.05 mA (equivalent to 0.1 C) in a temperature environment of 20° C., and then oxidized to 3.0 V at 0.05 mA. This reduction and oxidation operation was repeated 10 times in total. The reduction capacity and oxidation capacity in each operation were determined, and the reduction capacity was taken as the discharge capacity, and the oxidation capacity was taken as the charge capacity. The initial capacity Q 1 (mAh/g) was determined from the charge/discharge curve of the first cycle, and the capacity retention rate (%) was calculated from the formula Q 10 /Q 1 ×100 using the initial capacity Q 1 (mAh/g) and the capacity Q 10 (mAh/g) at the 10th cycle.
(結果と考察)
図11は、実験例2の電極を用いた二極式評価セルの単極充放電時の充放電曲線である。表2に各実験例の加熱処理条件、バンドギャップ、充放電特性をまとめた。表2及びX線回折の測定結果から、三次元構造の維持において、加熱処理は、好ましくは150℃以下が好ましく、120℃以下がより好ましく、80℃以下が更に好ましいと推察された。また、図11に示すように、実験例2のビオロゲンジカルボン酸Cu電極を用いた二極式評価セルでは、1.5Vから3.0Vにかけてビオロゲンのレドックスに相当する充放電を確認した。このビオロゲンジカルボン酸Cu電極では、比較的容量が大きく、安定的な充放電を行うことができることが確認された。
(Results and discussion)
FIG. 11 is a charge/discharge curve during single-electrode charge/discharge of a bipolar evaluation cell using the electrode of Experimental Example 2. Table 2 summarizes the heat treatment conditions, band gap, and charge/discharge characteristics of each experimental example. From Table 2 and the measurement results of X-ray diffraction, it was inferred that in maintaining the three-dimensional structure, the heat treatment is preferably 150° C. or less, more preferably 120° C. or less, and even more preferably 80° C. or less. In addition, as shown in FIG. 11, in the bipolar evaluation cell using the viologen dicarboxylic acid Cu electrode of Experimental Example 2, charge/discharge corresponding to the redox of viologen was confirmed from 1.5 V to 3.0 V. It was confirmed that this viologen dicarboxylic acid Cu electrode has a relatively large capacity and can perform stable charge/discharge.
実験例1~3では、結晶性であることやその構造式などから、図1のような構造を有していると推察された。すなわち、金属有機構造体は、基本骨格の両端にカルボン酸アニオンが直接的に又は間接的に結合した有機骨格層と、カルボン酸アニオンに含まれる酸素に遷移金属が結合した遷移金属元素層と、を備えた三次元構造体であると推察された。このような三次元構造体では、例えば遷移金属が結合した有機骨格層に空間が生じ、この空間にアニオンが吸蔵、放出されると考えられる。この三次元構造体は、例えば、芳香族複素環式化合物のπ電子相互作用により層状に形成され、遷移金属元素によって有機骨格層が結合した構造を有し、異なるカルボン酸アニオンの酸素4つと遷移金属元素1つとが結合した構造を備えていると推察された。 In Experimental Examples 1 to 3, it was inferred that the metal-organic framework had a structure as shown in Figure 1, based on the crystallinity and the structural formula. That is, it was inferred that the metal-organic framework was a three-dimensional structure having an organic framework layer in which carboxylate anions were directly or indirectly bonded to both ends of a basic framework, and a transition metal element layer in which a transition metal was bonded to oxygen contained in the carboxylate anion. In such a three-dimensional structure, for example, a space is generated in the organic framework layer to which the transition metal is bonded, and anions are thought to be absorbed and released in this space. It was inferred that this three-dimensional structure was formed in layers by the π-electron interaction of an aromatic heterocyclic compound, had a structure in which the organic framework layer was bonded by a transition metal element, and had a structure in which four oxygen atoms of different carboxylate anions were bonded to one transition metal element.
2.蓄電デバイスの作製及び充放電試験
[実験例4]
(ビオロゲンジカルボン酸銅電極の作製)
上記手法で作製した実験例2のビオロゲンジカルボン酸Cuを70質量%、粒子状炭素導電材としてカーボンブラック(東海カーボン、TB5500)を25質量%、結着材としてポリフッ化ビニリデン(PTFE,KFポリマ,クレハ製)を5質量%、分散材としてN-メチル-2-ピロリドンを適量添加、分散して電極合材とした。この電極合材10mgをステンレスメッシュに押しつけ、2cm2の円盤状の電極とした。
2. Preparation of an electricity storage device and charge/discharge test [Experimental Example 4]
(Preparation of viologen dicarboxylate copper electrode)
An electrode mixture was prepared by adding and dispersing 70% by mass of viologen dicarboxylate Cu of Experimental Example 2 prepared by the above method, 25% by mass of carbon black (Tokai Carbon, TB5500) as a particulate carbon conductive material, 5% by mass of polyvinylidene fluoride (PTFE, KF Polymer, manufactured by Kureha) as a binder, and an appropriate amount of N-methyl-2-pyrrolidone as a dispersant. 10 mg of this electrode mixture was pressed against a stainless steel mesh to form a 2 cm2 disk-shaped electrode.
(活性炭電極の作製)
活性炭(キャタラー製、EXC011G)を90質量%、アセチレンブラック(デンカ製、デンカブラック)を4質量%、カルボキシメチルセルロース(ダイセル製、CMC2200)を1質量%、スチレンブタジエン共重合体(JSR製、TRD102A)を5質量%、混合し、分散剤として水を適量添加し、分散してスラリー状合材とした。このスラリー状合材を10μm厚さの銅箔集電体に単位面積当たりの活性炭が3mg/cm2となるように均一に塗布し、加熱乾燥させて塗布シートを作製した。その後、塗布シートを加圧プレス処理し、2cm2の面積に打ち抜いて円盤状の電極とした。
(Preparation of activated carbon electrodes)
90% by mass of activated carbon (Cataler, EXC011G), 4% by mass of acetylene black (Denka, Denka Black), 1% by mass of carboxymethylcellulose (Daicel, CMC2200), and 5% by mass of styrene butadiene copolymer (JSR, TRD102A) were mixed, and an appropriate amount of water was added as a dispersant and dispersed to form a slurry mixture. This slurry mixture was uniformly applied to a 10 μm thick copper foil current collector so that the activated carbon per unit area was 3 mg/cm 2 , and then heated and dried to prepare a coated sheet. The coated sheet was then subjected to a pressure press treatment and punched out to an area of 2 cm 2 to form a disk-shaped electrode.
(Li系非水電解液の作製)
エチレンカーボネート、ジメチルカーボネート及びエチルメチルカーボネートを体積比で30:40:30の割合で混合した非水溶媒に、支持電解質のLiBF4を1.1モル/Lになるように添加してLi系非水電解液を作製した。
(Preparation of Li-based non-aqueous electrolyte)
A Li-based nonaqueous electrolyte solution was prepared by adding LiBF 4 as a supporting electrolyte to a nonaqueous solvent in a volume ratio of 30:40:30, so as to have a concentration of 1.1 mol/L.
(蓄電デバイスの作製)
ビオロゲンジカルボン酸銅電極を負極とし、活性炭電極を正極とし、両電極の間にLi系非水電解液を含浸させたセパレータ(東レ東燃製)を挟んで蓄電デバイス(二極式評価セル)を作製した。
(Fabrication of Electricity Storage Device)
A power storage device (two-electrode evaluation cell) was produced by using a viologen dicarboxylate copper electrode as the negative electrode, an activated carbon electrode as the positive electrode, and a separator (manufactured by Toray Tonen Co., Ltd.) impregnated with a Li-based nonaqueous electrolyte between the two electrodes.
(充放電試験)
上述した二極式評価セルを用い、20℃の温度環境下、0.049mA(0.1C相当)で2.7Vまで充電し、その後、0.049mAで0.0Vまで放電し、この充電と放電の操作を合計10回行った。1サイクル目の充放電カーブから初期容量Q1(mAh/g)を求め、初期容量Q1(mAh/g)と、10サイクル目の容量Q10(mAh/g)とを用い、Q10/Q1×100の式から容量維持率(%)を算出した。
(Charge/discharge test)
The above-mentioned bipolar evaluation cell was charged to 2.7 V at 0.049 mA (equivalent to 0.1 C) in a temperature environment of 20° C., and then discharged to 0.0 V at 0.049 mA, and this charge and discharge operation was repeated a total of 10 times. The initial capacity Q1 (mAh/g) was determined from the charge/discharge curve of the first cycle, and the capacity retention rate (%) was calculated from the initial capacity Q1 (mAh/g) and the capacity Q10 (mAh/g) of the 10th cycle according to the formula Q10 / Q1 ×100.
[実験例5]
Li系非水電解液に代えて、以下のように作製した非Li系非水電解液を用いた以外は、実験例4と同様に蓄電デバイスを作製し、充放電試験を行った。
[Experimental Example 5]
An electricity storage device was produced in the same manner as in Experimental Example 4, except that a non-Li-based non-aqueous electrolyte prepared as described below was used instead of the Li-based non-aqueous electrolyte, and a charge/discharge test was performed.
(非Li系非水電解液の作製)
プロピレンカーボネート溶媒に、支持電解質のテトラエチルアンモニウムテトラフルオロホウ酸(Et4NBF4)を1.0モル/Lになるように添加して非Li系非水電解液を作製した。
(Preparation of non-Li-based non-aqueous electrolyte)
A supporting electrolyte, tetraethylammonium tetrafluoroborate (Et 4 NBF 4 ) was added to the propylene carbonate solvent to give a concentration of 1.0 mol/L to prepare a non-Li based non-aqueous electrolyte solution.
[結果と考察]
図12に実験例4の蓄電デバイスの充放電曲線を示し、図13に実験例5の蓄電デバイスの充放電曲線を示した。また、表3に、各実験例の蓄電デバイス構成(負極活物質、正極活物質、支持塩)及び充放電特性(初期容量Q1、容量Q10、容量維持率)をまとめた。図12に示すように、ビオロゲンジカルボン酸銅(以下、CuViBF4とも称する)電極を負極とし、活性炭(以下、ACとも称する)電極を正極とし、Li系非水電解液を用いて作製した蓄電デバイスでは、可逆な充放電反応が確認された。また、図13に示すように、ビオロゲンジカルボン酸銅電極を負極とし、活性炭電極を正極とし、非Li系非水電解液を用いて作製した蓄電デバイスでも、可逆な充放電反応が確認された。このように、Liを含まない電解液を用いた実験例5でも可逆に充放電したことから、負極及び正極における電荷補償に関与するキャリアイオンは主にBF4
-アニオンであると推察された。以上より、実験例4,5の蓄電デバイスの正極及び負極における充放電反応式は、下記式で表されると推察された。なお、下記式においては、右向きの反応が充電に相当し、左向きの反応が放電に相当する。
[Results and discussion]
FIG. 12 shows the charge/discharge curve of the power storage device of Experimental Example 4, and FIG. 13 shows the charge/discharge curve of the power storage device of Experimental Example 5. Table 3 also summarizes the power storage device configuration (negative electrode active material, positive electrode active material, supporting salt) and charge/discharge characteristics (initial capacity Q 1 , capacity Q 10 , capacity maintenance rate) of each experimental example. As shown in FIG. 12, a reversible charge/discharge reaction was confirmed in a power storage device prepared using a viologen dicarboxylate copper (hereinafter also referred to as CuViBF 4 ) electrode as the negative electrode, an activated carbon (hereinafter also referred to as AC) electrode as the positive electrode, and a Li-based nonaqueous electrolyte. As shown in FIG. 13, a reversible charge/discharge reaction was also confirmed in a power storage device prepared using a viologen dicarboxylate copper electrode as the negative electrode, an activated carbon electrode as the positive electrode, and a non-Li-based nonaqueous electrolyte. Thus, since reversible charging and discharging was also achieved in Experimental Example 5 using an electrolyte solution not containing Li, it was presumed that the carrier ions involved in charge compensation in the negative and positive electrodes were mainly BF4- anions . From the above, it was presumed that the charge and discharge reaction formulas in the positive and negative electrodes of the electricity storage devices in Experimental Examples 4 and 5 are expressed by the following formulas. In the following formulas, the reaction to the right corresponds to charging, and the reaction to the left corresponds to discharging.
つまり、実験例4,5の蓄電デバイスにおいて、負極のビオロゲンジカルボン酸銅は充電時にBF4 -アニオンを放出し放電時にBF4 -アニオンを受け取る一方、正極の活性炭は充電時には負極から放出されたBF4 -アニオンを受け取り放電時にはこのBF4 -アニオンを放出すると推察された。その結果、実験例4,5の蓄電デバイスでは、BF4 -アニオンが正負極を行き来するロッキングチェア型のメカニズムで充放電が進行すると推察された。また、本開示の蓄電デバイスでは、実験例4,5に限らず、キャリアイオンであるアニオンが正負極を行き来するロッキングチェア型のメカニズムで充放電が進行すると推察された。 That is, in the power storage devices of Experimental Examples 4 and 5, it was presumed that the viologen dicarboxylate copper of the negative electrode releases BF 4 - anions during charging and receives BF 4 - anions during discharging, while the activated carbon of the positive electrode receives the BF 4 - anions released from the negative electrode during charging and releases these BF 4 - anions during discharging. As a result, it was presumed that in the power storage devices of Experimental Examples 4 and 5, charging and discharging proceeds by a rocking chair mechanism in which the BF 4 - anions move back and forth between the positive and negative electrodes. In addition, it was presumed that in the power storage devices of the present disclosure, not limited to Experimental Examples 4 and 5, charging and discharging proceeds by a rocking chair mechanism in which anions, which are carrier ions, move back and forth between the positive and negative electrodes.
ところで、表3に示すように、Li系非水電解液を用いた実験例4では、初期容量Q1は66mAh/gであり、容量Q10は52mAh/gであり、容量維持率は79%であった。また、非Li系非水電解液を用いた実験例5では、初期容量Q1は87mAh/gであり、容量Q10は50mAh/gであり、容量維持率は57%であった。この結果より、初期容量Q1を高める観点からは、支持塩としてLiカチオン等のアルカリ金属カチオンを有するものを用いることが好ましく、容量維持率を高める観点からは、支持塩としてアンモニウムカチオン等の非金属カチオンを有するものを用いることが好ましいことがわかった。 As shown in Table 3, in Experimental Example 4 using a Li-based nonaqueous electrolyte, the initial capacity Q1 was 66 mAh/g, the capacity Q10 was 52 mAh/g, and the capacity retention rate was 79%. In Experimental Example 5 using a non-Li-based nonaqueous electrolyte, the initial capacity Q1 was 87 mAh/g, the capacity Q10 was 50 mAh/g, and the capacity retention rate was 57%. From these results, it was found that from the viewpoint of increasing the initial capacity Q1 , it is preferable to use a supporting salt having an alkali metal cation such as Li cation, and from the viewpoint of increasing the capacity retention rate, it is preferable to use a supporting salt having a nonmetallic cation such as ammonium cation.
本開示は、蓄電デバイスの技術分野に利用可能である。 This disclosure can be used in the technical field of electricity storage devices.
20 蓄電デバイス、21 電池ケース、22 正極、23 負極、24 セパレータ、25 ガスケット、26 封口板、27 非水電解液。 20: power storage device, 21: battery case, 22: positive electrode, 23: negative electrode, 24: separator, 25: gasket, 26: sealing plate, 27: nonaqueous electrolyte.
Claims (7)
前記アニオンの授受が可能な正極活物質を含む正極と、
前記正極と前記負極との間に介在し、前記アニオンを伝導可能なイオン伝導媒体と、
を備え、前記負極において、前記金属有機構造体は式(1)で表される構造を有する、蓄電デバイス。
a positive electrode including a positive electrode active material capable of donating and receiving the anion;
an ion-conductive medium interposed between the positive electrode and the negative electrode and capable of conducting the anions;
In the negative electrode, the metal organic framework has a structure represented by formula (1) .
前記アニオンの授受が可能な正極活物質を含む正極と、
前記正極と前記負極との間に介在し、前記アニオンを伝導可能なイオン伝導媒体と、
を備え、前記負極において、前記金属有機構造体は式(2)又は式(3)で表される構造を有する、蓄電デバイス。
a positive electrode including a positive electrode active material capable of donating and receiving the anion;
an ion-conductive medium interposed between the positive electrode and the negative electrode and capable of conducting the anions;
In the negative electrode, the metal organic framework has a structure represented by formula (2) or formula (3).
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