JPH09120816A - アルミニウム非水電解液二次電池 - Google Patents
アルミニウム非水電解液二次電池Info
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Abstract
とする、充放電可能なアルミニウム非水電解液二次電池
を構成できるようにする。 【解決手段】 アルミニウム又はアルミニウム合金から
なる負極と、アルミニウムハロゲン化物と有機ハロゲン
化物と非水溶媒とを含有する非水電解液と、アルミニウ
ムを含有するアニオンを吸蔵・放出することが可能な正
極とからアルミニウム非水電解液二次電池を構成する。
Description
アルミニウム合金を負極に用いたアルミニウム非水電解
液二次電池に関する。
量当たりの電気容量が高く、特に体積基準ではリチウム
の約4倍に相当する理論エネルギー密度を持っている。
また、元素存在比も多く低コストで容易に入手が可能で
ある。従って、アルミニウム又はアルミニウム合金を電
池の負極に用いることができれば高エネルギー密度の電
池を低コストで実現できることになる。このため、アル
ミニウム又はアルミニウム合金を負極に用いる電池は今
後の有望な電池の一つとなっており、その開発が試みら
れている。また、アルミニウムの電極電位が−1.66
V(vs.標準水素電極)と卑であることから、適切な
正極活物質と組み合わせることにより、既存の常温作動
のアルカリ乾電池,酸化銀電池、Ni-Cd電池、Ni
水素電池等との互換性を実現できる可能性があり、この
点からもアルミニウム又はアルミニウム合金を電池の負
極に用いた電池、特に常温作動の二次電池の開発が望ま
れている。
よりも著しく還元されにくいために、水溶液系の電解液
を使用してアルミニウムを負極とするアルミニウム二次
電池を構成することは非常に困難であることが知られて
いる。また、アルミニウムは酸素原子と強い親和性を有
するために、その表面には強固で緻密な高絶縁性の不働
態自然酸化被膜が存在する。従って、放電時にアルミニ
ウムの溶出が極めて困難となり放電特性が低下する。そ
の結果、分極が大きくなり、また、放電時に負極に不働
態被膜が更に成長することも容易に推察される。
ム合金を負極とする常温作動の二次電池を開発するに際
しては、非水電解液の開発がポイントとなる。また、そ
のような非水電解液に適した正極活物質の開発も重要と
なっている。
を負極とする二次電池の非水電解液としては、例えば、
リチウム電池に用いられているような有機溶媒系の非水
電解液や、エーテル系又は高温溶融塩系の非水電解液を
使用することが提案されている。また、近年ではアルミ
ニウムハロゲン化物/N−アルキルピリジニウムハロゲ
ン化物又はアルミニウムハロゲン化物/N−アルキルイ
ミダゾリウムハロゲン化物からなる常温溶融塩系の非水
電解液を使用することも提案されている。
は、一般に、従来の水溶液系の電解液よりも導電率が1
〜2桁低いという問題がある。例えば、リチウム電池に
用いられているような有機溶媒系の非水電解液で電池を
構成した場合には、電解液の導電率が低いために電池の
負荷特性が低下するという問題があった。導電率に関す
る問題に加えて、エーテル系の非水電解液の場合には、
使用するエーテルが可燃性であるために取扱に注意を要
するという問題があった。高温溶融塩系の非水電解液の
場合には、作動時に200℃以上にしなければならず、
常温での作動は不可能であるという問題があった。ま
た、常温溶融塩系の非水電解液の場合には、作動可能な
温度の範囲が非常に狭く、しかも一度その作動可能温度
範囲を逸脱してしまうと電解液が固化したり、電解液中
の錯イオンの種類や濃度が変化したりするという安定性
上の問題があった。
ム非水電解液二次電池に好適な非水電解液が知られてい
ないために、どのような材料から正極活物質を構成すべ
きであるか具体的に提案されていないというのが現状で
ある。
決しようとするものであり、高いエネルギー密度を有す
るアルミニウムの可逆的な折出・溶解を可能とする非水
電解液と正極活物質とを開発し、それらを用いてアルミ
ニウム又はアルミニウム合金を負極とするアルミニウム
非水電解液二次電池を構成することを目的とする。
てアルミニウム又はアルミニウム合金を使用し、非水電
解液として非水溶媒にアルミニウムハロゲン化物と第四
級アンモニウム塩やN−アルキル置換ピリジニウム塩等
の第四級アンモニウム塩又は第四級ホスホニウム塩等の
有機ハロゲン化物とを含有させたものを使用し、そし
て、正極活物質としてアルミニウムを含有するアニオン
を吸蔵・放出することが可能な材料を使用することによ
り上述の目的が達成できることを見出し、本発明を完成
させるに至った。
ニウム合金からなる負極と非水電解液と正極とを備えた
アルミニウム二次電池において、非水電解液が非水溶媒
とアルミニウムハロゲン化物と有機ハロゲン化物とを含
有し、且つ正極活物質がアルミニウムを含有するアニオ
ンを吸蔵・放出することが可能な材料であることを特徴
とするアルミニウム非水電解液二次電池を提供する。
にアルミニウムハロゲン化物と有機ハロゲン化物とを含
有させたものである。
式AlX3(式中、XはCl、Br又はIである)で表
される無水の化合物を好ましく使用することができる。
このようなアルミニウムハロゲン化物の濃度は、アルミ
ニウムハロゲン化物の濃度が低すぎるとアルミニウムの
充電効率が低下するいう問題があり、また、濃度が高す
ぎると溶解しなくなるという問題があるため、一般的に
は0.1〜10.0mol/lとすることが好ましく、
6.0〜7.5mol/lとすることがより好ましい。
とは、アルミニウムハロゲン化物にハロゲンイオン等の
アニオンを供与できる化合物であり、第四級アンモニウ
ム塩や第四級ホスホニウム塩を好ましく例示することが
できる。中でも、次式(1)又は(2)
る。
原子である。また、R1、R2、R3、R4、R5、R6及び
R7はそれぞれ独立的に炭化水素基、好ましくは炭素数
10以下の炭化水素基である。このような炭化水素基と
しては、R1、R2、R3、R4、R5及びR6の場合、メチ
ル基、エチル基、プロピル基などのアルキル基、フェニ
ル基などのアリール基、ベンジル基などのアラルキル基
などを例示することができる。R7としては、メチレン
基、エチリデン基、プロピリデン基などのアルキリデン
基を例示することができる。また、R1とR2又はR5と
R7とが互いに結合して環を形成してもよく、例えば、
Aが窒素原子である場合、R1とR2とでピロリジン環や
ピペリジン環を形成してもよく、また、R5とR7とでピ
リジン環やイミダゾール環を形成してもよい。これらの
炭化水素基はトリフルオロメチル基などの種々の置換基
を有していてもよい。また、R1、R2、R3、R4、R5
及びR6は同一であってもよく異なっていてもよい。対
アニオンY-としては過塩素酸イオンなどの種々のアニ
オンを必要に応じ選択することができるが、Cl-、B
r-、I-などのハロゲンイオンを好ましく使用すること
ができる。
としては、テトラメチルアンモニウムクロライド;トリ
メチルエチルアンモニウムクロライド;トリメチルフェ
ニルアンモニウムクロライド;トリメチルベンジルアン
モニウムクロライド;テトラエチルアンモニウムクロラ
イド;トリエチルメチルアンモニウムクロライド;トリ
エチルフェニルアンモニウムクロライド;トリエチルベ
ンジルアンモニウムクロライド;N,N−ジメチルピロ
リジニウムクロライド;N−n−ブチルピリジウムクロ
ライド;1−エチル−3−メチルイミダリウムクロライ
ドなどを挙げることができる。
ては、テトラ−n−ブチルフェニルホスホニウムクロラ
イド;テトラエチルホスホニウムクロライド;テトラフ
ェニルホスホニウムクロライド;トリフェニルエチルホ
スホニウムクロライド;トリメチルベンジルホスホニウ
ムクロライド等を挙げることができる。
ロゲン化物との比率は、好ましくは0.2〜1.0、よ
り好ましくは0.5〜0.75とする。これは、以下の
理由による。
ロゲン化物はルイス酸として機能し、有機ハロゲン化物
はルイス塩基として機能する。そのため、有機ハロゲン
化物がアルミニウムハロゲン化物より過剰な場合には中
性イオンであるAlY4 -イオンが主として生成し、逆の
場合には酸性イオンであるAl2Y7 -イオンが主として
生成する。このAl2Y7 -イオンは、AlY4 -イオンに
比べ、構造的に歪んでおり、電気化学的に不安定なイオ
ン種であり、比較的容易にアルミニウムを電析させるこ
とができる。従って、アルミニウムの電析を好ましく進
行させるためには、アルミニウムハロゲン化物濃度を有
機ハロゲン化物濃度よりも高くする。例えば、電解質と
してAlCl3とトリメチルベンジルアンモニウムクロ
ライド(TMBAC)とを使用し、非水溶媒として1,
2−ジクロロベンゼンを使用して非水電解液を調製した
場合、有機ハロゲン化物のアルミニウムハロゲン化物に
対するモル比(TMBAC/AlCl3)が1.0より
大きく、電解液が塩基性であるときにはAlCl4 -が支
配的に生成しているのでアルミニウムの電析効率は低
く、逆にモル比が1.0以下で、電解液が酸性であると
きにはAl2Cl7 -イオンが高濃度で存在するので、ア
ルミニウムが可逆的に電析できるようになる。
ムハロゲン化物とを溶解させる非水溶媒としては、脱水
処理を施したドナーナンバー5以下の有機溶媒を好まし
く使用することができる。ここで、ドナーナンバーと
は、溶媒のルイス塩基性の尺度を表し、1,2−ジクロ
ロエタン中において1×10-3mol・dm-3の五塩化
アンチモンを基準の受容体として選び、それと供与体
(溶媒)との反応に対するモルエンタルピー値(kca
l・mol-1)として定義されるものであり、この数値
が小さい程、塩基性が低いことを意味する。
は、1,2−ジクロロエタン、メチレンクロライド、ベ
ンゼン、クロロベンゼン、1,2−ジクロロベンゼン、
1,3−ジクロロベンゼン、1,4−ジクロロベンゼ
ン、フルオロベンゼン、1,2−ジフルオロベンゼン、
1,3−ジフルオロベンゼン、1,4−ジフルオロベン
ゼン、それらの混合物などを例示することができる。中
でも、1,2−ジクロロエタン、1,2−ジクロロベン
ゼン、1,3−ジクロロベンゼンを好ましく使用するこ
とができる。
媒中におけるアルミニウムハロゲン化物の挙動を以下に
説明する。
るハロゲンXと、式(1)又は(2)を構成するハロゲ
ンYとが同種の原子からなる場合、非水電解液は、アル
ミニウムを含む錯イオンとしてAlY4 -イオンとAl2
Y7 -イオンとを主として含有することになる。このうち
のAlY4 -イオンはテトラヘドラル構造を有するために
対称性が高く、電気化学的に比較的安定なイオン種であ
る。従って、AlY4 -イオンを還元してアルミニウムを
電析させようとしても、アルミニウムの還元反応以外の
反応が優先的に起こるのでアルミニウムの電析効率が低
くなる。
イオンは、AlY4 -イオンに比べ、構造的に歪んでお
り、電気化学的に不安定なイオン種であり、比較的容易
にアルミニウムを電析させることができる。
り析出させるためには、AlY4 -イオンよりもAl2Y7
-イオンを支配的に非水電解液中に存在させることが必
要となる。このためには、塩基性の低い溶媒、即ち低い
ドナーナンバーの溶媒を使用することが必要となるので
ある。
ゲン原子とアルミニウムハロゲン化物のハロゲン原子と
は同種となるようにしてもよく、異種になるようにして
もよい。好ましくは、以下に説明するように、それらの
ハロゲン原子を異ならせるようにする。即ち、それらの
ハロゲン原子が異なる場合には、例えば、AlBr3と
TMBACとを用いた場合には、酸性電解液組成下では
Al2Br6Cl-イオンのような混合ハロゲン含有錯イ
オンが生成すると考えられる。このような混合ハロゲン
含有錯イオンは、同じハロゲン原子から形成されている
錯イオンに比べ、構造的に歪みがあるので、電極上での
電気化学的反応性がより高くなり、アルミニウムの析出
がスムーズに進行する。また、有機ハロゲン化物とアル
ミニウムハロゲン化物との濃度比を大きくすることがで
きる。従って、両者のハロゲン原子を異ならせることが
好ましい。
ルミニウムを含有するアニオンを吸蔵・放出可能な材料
を使用する。このような材料としては、黒鉛や導電性ポ
リマーを好ましく挙げることができる。
としては、天然黒鉛あるいは人造黒鉛のいずれを使用し
てもよく、これらをテフロン系のバインダーと混練させ
て正極合材として使用してもよい。
ポリマーとしては、アルミニウムを含有するアニオンを
吸蔵・放出する能力が高いポリアニリンを好ましく挙げ
ることができるが、これに限定されず、ポリチオフェ
ン、ポリピロールなどの公知の導電性ポリマーも使用す
ることができる。
して用いる場合、導電性ポリマーを単独で使用すること
もできるが、他の導電性物質を混合したものや、更にバ
インダーを添加したものなども使用することができる。
また、これらの材料は、種々の形状、例えばフィルム状
に成型して用いてもよく、集電体上に塗布、乾燥した形
状で使用してもよい。
るアニオン種としては、AlY4 -イオンもしくはAl2
Y7 -イオン、又はAlY3Y'-イオンもしくはAl2Y6
Y'-イオンであることが予想される。特に、有機ハロゲ
ン化物とアルミニウムハロゲン化物との比率が1.0よ
り小さい場合には主としてAl2Y7 -イオンあるいはA
l2Y6Y'-イオンが正極活物質に吸蔵・放出されると考
えられる。ここで、Y'としては、アニオン中のYと異
なるハロゲン原子である。
は、負極としてアルミニウム又はアルミニウム合金を使
用する。ここで、アルミニウム合金としては、Al-M
g(97〜99Wt%/Al)やJIS規格アルミニウム
合金などを使用することができる。
次電池は、負極と正極活物質と非水電解液とを上述で説
明した構成とすること以外のセパレータや電池ケース、
集電体などの他の構成は適宜選択することができる。
ム非水電解液二次電池は、非水電解液として、非水溶媒
にアルミニウムハロゲン化物と、それにハロゲンイオン
などのアニオンを供与できる有機ハロゲン化物とを含有
する。従って、非水電解液においては、アルミニウムを
含有するアニオン(主としてAl2Y7 -イオン)が生成
する。一方、正極活物質としてアルミニウムを含有する
アニオンを吸蔵・放出可能な材料、例えば黒鉛や導電性
ポリマーを使用する。従って、電池の充放特性を向上さ
せることができる。
説明する。
それに結着剤としてポリテトラフルオロエチレン系粉末
とを重量比85:15の比率で混合することにより正極
合剤を得た。この正極合剤の所定量をモリブデンメッシ
ュ集電体に加圧成型して付着させることにより正極を作
製した。
した0.1mm厚のアルミニウム板(純度99.99
%)を用意した。
ロロベンゼンに無水の塩化アルミニウム及びトリメチル
フェニルアンモニウムクロライドをそれぞれ6.67m
ol/dm3及び3.33mol/dm3の割合で溶解さ
せて調製した。
て、図1に示すような、正極端子1が接続された正極2
と、負極端子3が接続された負極4とがガスケット5を
挟んで対向し、そして、両極はポリテトラフルオロエチ
レン系セパレータ6で隔てられ、かつ両極の間には非水
電解液が充填されている構造のアルミニウム非水電解液
二次電池を構成した。
に対し、電流密度0.1mA/cm2で電池電圧が2.
0Vになるまで定電流充電を行った。その後、電流密度
0.1mA/cm2で電池電圧が1.0Vになるまで定
電流放電を行った。図2に、この電池の充放電特性曲線
を示す。
サイクルの充放電効率(充電容量に対する放電容量の
比)の関係を調べた。その結果を図3に示す。同図から
わかるように、2サイクル目以降、30サイクル程度ま
で80%以上の充放電効率で繰り返し充放電が可能であ
った。
施例1で用いた非水電解液に添加した電解液中から、白
金板上に電解重合させたポリアニリン膜を用いた。負極
活物質、非水電解液及び電池構成は実施例1と同様のも
のを使用した。
に対し、電流密度0.1mA/cm2で、電池電圧が
0.5Vになるまで定電流放電を行った。その後、電流
密度0.1mA/cm2で電池電圧が1.5Vになるま
で定電流充電を行った。図4に、この電池の充放電特性
曲線を示す。
サイクルの充放電効率(充電容量に対する放電容量の
比)の関係を調べた。その結果を図5に示す。同図から
わかるように、20サイクル程度まで70%以上の充放
電効率で繰り返し充放電が可能であることがわかった。
有するアルミニウム又はアルミニウム合金を負極とす
る、充放電の可能なアルミニウム非水電解液二次電池を
構成できる。
次電池の断面図である。
次電池の充放電特性図である。
次電池の充放電サイクル特性図である。
次電池の充放電特性図である。
次電池の充放電サイクル特性図である。
Claims (12)
- 【請求項1】 アルミニウム又はアルミニウム合金から
なる負極と非水電解液と正極とを備えたアルミニウム二
次電池において、非水電解液が非水溶媒とアルミニウム
ハロゲン化物と有機ハロゲン化物とを含有し、且つ正極
活物質がアルミニウムを含有するアニオンを吸蔵・放出
することが可能な材料であることを特徴とするアルミニ
ウム非水電解液二次電池。 - 【請求項2】 正極活物質が黒鉛である請求項1記載の
アルミニウム非水電解液二次電池。 - 【請求項3】 正極活物質が導電性ポリマーである請求
項1記載のアルミニウム非水電解液二次電池。 - 【請求項4】 アルミニウムハロゲン化物が、AlX3
(式中、XはCl、Br又はIである)で表される請求
項1〜3のいずれかに記載のアルミニウム非水電解液二
次電池。 - 【請求項5】 アルミニウムハロゲン化物の濃度が、
0.1〜10.0mol/lである請求項4記載のアル
ミニウム非水電解液二次電池。 - 【請求項6】 有機ハロゲン化物が、第四級アンモニウ
ム塩又は第四級ホスホニウム塩である請求項1〜5のい
ずれかに記載のアルミニウム非水電解液二次電池。 - 【請求項7】 有機ハロゲン化物が次式(1)又は
(2) 【化1】 (式(1)又は(2)中、Aは窒素原子又はリン原子で
あり、R1、R2、R3、R4、R5、R6及びR7はそれぞ
れ独立的に炭化水素基であり、ここでR1とR2又はR5
とR7とで環を形成してもよく、Y-は対アニオンであ
る)で表される請求項1〜6のいずれかに記載のアルミ
ニウム非水電解液二次電池。 - 【請求項8】 対アニオンY-が、Cl-、Br-又はI-
である請求項7記載のアルミニウム非水電解液二次電
池。 - 【請求項9】 有機ハロゲン化物のアルミニウムハロゲ
ン化物に対するモル比が、0.2〜1.0である請求項
1〜8のいずれかに記載のアルミニウム非水電解液二次
電池。 - 【請求項10】 アルミニウムハロゲン化物のハロゲン
原子と有機ハロゲン化物における対アニオンのハロゲン
原子とが異なる請求項7〜9のいずれかに記載のアルミ
ニウム非水電解液二次電池。 - 【請求項11】 非水溶媒がドナーナンバー5以下の有
機溶媒である請求項1〜10のいずれかに記載のアルミ
ニウム非水電解液二次電池。 - 【請求項12】 ドナーナンバー5以下の有機溶媒が、
1,2−ジクロロエタン、メチレンクロライド、ベンゼ
ン、クロロベンゼン、1,2−ジクロロベンゼン、1,
3−ジクロロベンゼン、1,4−ジクロロベンゼン、フ
ルオロベンゼン、1,2−ジフルオロベンゼン、1,3
−ジフルオロベンゼン、1,4−ジフルオロベンゼン又
はそれらの混合物である請求項11記載のアルミニウム
非水電解液二次電池。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP7303512A JPH09120816A (ja) | 1995-10-26 | 1995-10-26 | アルミニウム非水電解液二次電池 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP7303512A JPH09120816A (ja) | 1995-10-26 | 1995-10-26 | アルミニウム非水電解液二次電池 |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPH09120816A true JPH09120816A (ja) | 1997-05-06 |
Family
ID=17921878
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP7303512A Pending JPH09120816A (ja) | 1995-10-26 | 1995-10-26 | アルミニウム非水電解液二次電池 |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JPH09120816A (ja) |
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