JPWO2014073562A1 - Secondary battery - Google Patents
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Abstract
電極活物質が、ジチオン構造を有するジチオン化合物、ジオン構造を有するジオン化合物、安定ラジカル基を含有した有機ラジカル化合物、及びジアミン構造を有するジアミン化合物の中から選択された少なくとも一種を構成単位中に有する有機化合物を主体とし、溶媒が、環状スルホン化合物、環状エーテル化合物、及びニトリル系化合物の中から選択された少なくとも一種を含有している。この電極活物質を使用して正極4を作製し、この溶媒に電解質塩としてのLi塩を溶解させて電解質溶液9を調製し、この正極4及び電解質溶液9を使用して二次電池を形成する。これによりエネルギー密度が大きく高出力で、充放電を繰り返しても容量低下の少ないサイクル特性の良好な二次電池を実現する。The electrode active material has in the structural unit at least one selected from a dithione compound having a dithione structure, a dione compound having a dione structure, an organic radical compound having a stable radical group, and a diamine compound having a diamine structure. The main component is an organic compound, and the solvent contains at least one selected from a cyclic sulfone compound, a cyclic ether compound, and a nitrile compound. A positive electrode 4 is produced using this electrode active material, an Li salt as an electrolyte salt is dissolved in this solvent to prepare an electrolyte solution 9, and a secondary battery is formed using the positive electrode 4 and the electrolyte solution 9. To do. As a result, a secondary battery having a large energy density, high output, and good cycle characteristics with little decrease in capacity even after repeated charge and discharge is realized.
Description
本発明は二次電池に関し、より詳しくは電極活物質及び電解質溶液を含有し、電極活物質の電池電極反応を利用して充放電を繰り返す二次電池に関する。 The present invention relates to a secondary battery, and more particularly to a secondary battery that contains an electrode active material and an electrolyte solution, and that repeats charging and discharging using a battery electrode reaction of the electrode active material.
携帯電話、ノートパソコン、デジタルカメラ等の携帯用電子機器の市場拡大に伴い、これら電子機器のコードレス電源としてエネルギー密度が大きく長寿命の二次電池が待望されている。 With the expansion of the market for portable electronic devices such as mobile phones, notebook computers, and digital cameras, secondary batteries with high energy density and long life are expected as cordless power sources for these electronic devices.
このような要求に応えるべく、リチウムイオン等のアルカリ金属イオンを荷電担体とし、その電荷授受に伴う電気化学反応を利用した二次電池が開発されている。特に、エネルギー密度の比較的大きなリチウムイオン二次電池は、現在では広く普及している。 In order to meet such demands, secondary batteries using an alkali metal ion such as lithium ion as a charge carrier and utilizing an electrochemical reaction associated with charge exchange have been developed. In particular, lithium ion secondary batteries having a relatively large energy density are now widely used.
二次電池の構成要素のうち電極活物質は、充電反応、放電反応という電池電極反応に直接寄与する物質であり、二次電池の中心的役割を有する。すなわち、電池電極反応は、電解質中に配された電極と電気的に接続された電極活物質に対し電圧を印加することにより、電子の授受を伴って生じる反応であり、電池の充放電時に進行する。したがって、上述したように電極活物質は、システム的には、二次電池の中心的役割を有する。 Among the constituent elements of the secondary battery, the electrode active material is a substance that directly contributes to a battery electrode reaction such as a charge reaction and a discharge reaction, and has a central role of the secondary battery. That is, the battery electrode reaction is a reaction that occurs with the transfer of electrons by applying a voltage to an electrode active material that is electrically connected to an electrode disposed in the electrolyte, and proceeds during charging and discharging of the battery. To do. Therefore, as described above, the electrode active material has a central role of the secondary battery in terms of system.
上記リチウムイオン二次電池では、正極活物質としてリチウム含有遷移金属酸化物、負極活物質として炭素材料を使用し、これらの電極活物質に対するリチウムイオンの挿入反応、及び脱離反応を利用して充放電を行っている。 In the above lithium ion secondary battery, a lithium-containing transition metal oxide is used as a positive electrode active material, and a carbon material is used as a negative electrode active material, and charging and desorption reactions are performed using lithium ion insertion and desorption reactions with respect to these electrode active materials. Discharging.
しかしながら、リチウムイオン二次電池は、正極におけるリチウムイオンの移動が律速となるため、充放電の速度が制限されるという問題があった。すなわち、上述したリチウムイオン二次電池では、正極のリチウム含有遷移金属酸化物中でのリチウムイオンの移動速度が電解質や負極に比べて遅く、このため正極での電池反応速度が律速となって充放電速度が制限され、その結果、高出力化や充電時間の短時間化には限界があった。 However, the lithium ion secondary battery has a problem that the rate of charge and discharge is limited because the movement of lithium ions in the positive electrode is rate-limiting. In other words, in the above-described lithium ion secondary battery, the migration rate of lithium ions in the lithium-containing transition metal oxide of the positive electrode is slower than that of the electrolyte and the negative electrode, so that the battery reaction rate at the positive electrode is rate-limiting and charged. As a result, the discharge rate was limited, and as a result, there was a limit to increasing the output and shortening the charging time.
そこで、このような課題を解決すべく、近年、有機イオウ化合物等の有機化合物を電極活物質に使用した有機二次電池の研究・開発が盛んに行われている。 In order to solve such problems, research and development of organic secondary batteries using organic compounds such as organic sulfur compounds as electrode active materials have been actively conducted in recent years.
例えば、特許文献1には、正極材料である有機イオウ化合物が充電状態でS−S結合を有すると共に、正極の放電時にはS−S結合が開裂し、金属イオンを有する有機イオウ金属塩を形成した新規な金属−イオウ型電池セルが提案されている。
For example, in
この特許文献1では、一般式(1′)で表されるジスルフィド系の有機化合物(以下、「ジスルフィド化合物」という。)を正極活物質に使用している。
In
R−S−S−R … (1′)
ここで、Rは脂肪族有機基又は芳香族有機基を示し、各々は同一又は異なる場合を含んでいる。R-S-S-R (1 ')
Here, R represents an aliphatic organic group or an aromatic organic group, and each includes the same or different cases.
ジスルフィド化合物は、二電子反応が可能であり、還元状態(放電状態)でS-S結合が開裂し、これにより有機チオレート(R−SH)を形成する。そして、この有機チオレートは酸化状態(充電状態)でS−S結合を形成し、一般式(1′)で示すジスルフィド化合物に復元する。つまり、ジスルフィド化合物は結合エネルギーの小さなS−S結合を形成するため、反応による結合と開裂を利用して可逆的な酸化還元反応が生じ、これにより充放電を行うことができる。 The disulfide compound can undergo a two-electron reaction, and the S—S bond is cleaved in a reduced state (discharge state), thereby forming an organic thiolate (R—SH). This organic thiolate forms an S—S bond in the oxidized state (charged state) and is restored to the disulfide compound represented by the general formula (1 ′). That is, since the disulfide compound forms an S—S bond having a small binding energy, a reversible redox reaction occurs using the bond and cleavage by the reaction, and thus charge and discharge can be performed.
また、特許文献2には、次式(2′):
−(NH−CS−CS−NH)…(2′)
で示される構造単位を有し、リチウムイオンと結合可能であるルベアン酸又はルベアン酸ポリマーを含む電池用電極が提案されている。Patent Document 2 discloses the following formula (2 ′):
-(NH-CS-CS-NH) (2 ')
A battery electrode containing rubeanic acid or a rubeanic acid polymer that has a structural unit represented by the formula (II) and can be bonded to lithium ions has been proposed.
一般式(2′)で表されるジチオン構造を含有したルベアン酸又はルベアン酸ポリマーは、還元時にリチウムイオンと結合し、酸化時に前記結合したリチウムイオンを放出する。このようなルベアン酸又はルベアン酸ポリマーの可逆的な酸化還元反応を利用することによって充放電を行うことができる。 The rubeanic acid or rubeanic acid polymer containing the dithione structure represented by the general formula (2 ′) binds to lithium ions during reduction, and releases the bound lithium ions during oxidation. Charging / discharging can be performed by utilizing such a reversible oxidation-reduction reaction of rubeanic acid or rubeanic acid polymer.
一方、二次電池の電極活物質は、充放電反応に伴う化学変化によってその体積が大きく変化し、その結果、固体状態の電極活物質が崩壊したり電解質溶液中に溶解し、電極活物質として機能しなくなる場合がある。特に、結晶系を維持した状態で充放電を行うリチウムイオン電池とは異なり、分子自体の酸化還元反応を利用して充放電を行なう有機二次電池では、電極活物質の電解質への溶解が起こりやすいと考えられ、このため斯かる電極活物質の電解質への溶解を抑制することが検討されている。 On the other hand, the volume of the electrode active material of the secondary battery is greatly changed by a chemical change associated with the charge / discharge reaction. As a result, the solid state electrode active material collapses or dissolves in the electrolyte solution, It may stop functioning. In particular, unlike a lithium ion battery that charges and discharges while maintaining a crystalline system, in an organic secondary battery that charges and discharges using a redox reaction of the molecule itself, the electrode active material dissolves in the electrolyte. Therefore, it is considered to suppress dissolution of such an electrode active material in an electrolyte.
そして、例えば、特許文献3には、負極と、電気活性硫黄含有物質を有する固体複合正極と、これらの間に挿入された電解質とを含む電池が提案されている。 For example, Patent Document 3 proposes a battery including a negative electrode, a solid composite positive electrode having an electroactive sulfur-containing substance, and an electrolyte inserted therebetween.
この特許文献3では、電解質の好ましい形態として、1つ以上のイオン性電解質塩と、N−メチルアセトアミド、アセトニトリル、カーボネート、スルホラン、スルホン、N−アルキルピロリドン、ジオキソラン、脂肪族エーテル、環状エーテル、グライムおよびシロキサンから選択される1つ以上の電解質溶媒との混合物が挙げられている。そして、電解質溶媒として1,3−ジオキソラン及びジメトキシエタンを使用して電解質溶液を作製し、正極材料に電気活性硫黄含有物質を含有した電池を作製している。 In this Patent Document 3, as a preferable form of an electrolyte, one or more ionic electrolyte salts, N-methylacetamide, acetonitrile, carbonate, sulfolane, sulfone, N-alkylpyrrolidone, dioxolane, aliphatic ether, cyclic ether, glyme And mixtures with one or more electrolyte solvents selected from siloxanes. Then, an electrolyte solution is prepared using 1,3-dioxolane and dimethoxyethane as an electrolyte solvent, and a battery containing an electroactive sulfur-containing substance as a positive electrode material is manufactured.
しかしながら、特許文献1では、二電子が関与する低分子のジスルフィド化合物を使用しているが、充放電反応に伴って他の分子と結合、開裂を繰り返すため、安定性に欠け、充放電反応を繰り返すと容量が低下してしまうおそれがある。
However,
また、特許文献2では、ジチオン構造を有するルベアン酸又はルベアン酸ポリマーを使用して二電子反応を生じさせているが、ルベアン酸のような低分子量の化合物では電解質溶液への溶解や、溶解した化合物による電極の汚染などが生じ易く、このため繰り返し充放電に対する安定性に欠ける。また、ルベアン酸ポリマーのような高分子化合物を使用した場合は、電解質溶液への溶解や電極汚染は抑制することができるものの、ルベアン酸ポリマー内の分子間相互作用が大きい。このため、イオンの移動が妨げられ、有効に利用できる活物質の割合が少なくなる。 In Patent Document 2, rubeanic acid having a dithione structure or a rubeanic acid polymer is used to cause a two-electron reaction. However, a low molecular weight compound such as rubeanic acid has dissolved or dissolved in an electrolyte solution. Contamination of the electrode with a compound is likely to occur, and therefore, stability against repeated charge and discharge is lacking. In addition, when a polymer compound such as rubeanic acid polymer is used, dissolution in the electrolyte solution and electrode contamination can be suppressed, but the intermolecular interaction in the rubeanic acid polymer is large. For this reason, the movement of ions is hindered, and the proportion of the active material that can be used effectively is reduced.
また、特許文献3は、正極活物質にイオウ系化合物を使用し、オキソラン等を溶媒に使用した電解質溶液を作製し、電池を形成しているが、このような電解質溶液を使用しても安定した良好なサイクル特性を有する二次電池を得るのは困難な状況にある。 Patent Document 3 uses a sulfur-based compound as a positive electrode active material and produces an electrolyte solution using oxolane or the like as a solvent to form a battery. However, even if such an electrolyte solution is used, it is stable. It is difficult to obtain a secondary battery having good cycle characteristics.
すなわち、有機化合物を電極活物質に使用した有機二次電池は、リチウム含有遷移金属酸化物を電極活物質に使用した従来のリチウムイオン二次電池に比べ、反応性に富む一方で、上述したように電極活物質の電解質溶液への溶出が起こり易く、更には充放電に関与する酸化還元反応以外に不可逆反応が生じて電極活物質の失活を招き易く、これが実用化に際しての解決すべき重要な技術課題となっている。 That is, an organic secondary battery using an organic compound as an electrode active material is more reactive than a conventional lithium ion secondary battery using a lithium-containing transition metal oxide as an electrode active material. Elution of the electrode active material into the electrolyte solution easily occurs, and in addition to the oxidation-reduction reaction involved in charge / discharge, an irreversible reaction easily occurs, leading to deactivation of the electrode active material. Technical issues.
しかしながら、上述した従来の技術では、上記技術課題を十分に解決することができず、このため未だ十分に大きなエネルギー密度を有し、高出力でサイクル特性が良好な長寿命の二次電池を実現することができていないのが現状である。 However, the above-described conventional technology cannot sufficiently solve the above technical problem, and thus, a long-life secondary battery having a sufficiently high energy density, high output and good cycle characteristics is realized. The current situation is that we have not been able to.
本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであって、エネルギー密度が大きく高出力で、充放電を繰り返しても容量低下の少ないサイクル特性の良好な二次電池を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of such circumstances, and an object of the present invention is to provide a secondary battery having a high energy density, high output, and good cycle characteristics with little decrease in capacity even after repeated charge and discharge. To do.
本発明者らは、充放電効率が良好で高容量密度の電極活物質を得ることが可能なジチオン構造、ジオン構造、安定ラジカル基、及びジアミン構造を構成単位中に有する有機化合物を使用して鋭意研究を行なったところ、電解質溶液中に特定の溶媒種、すなわち環状スルホン化合物、環状エーテル化合物、及びニトリル系化合物のいずれかのうちの少なくとも一種を含有させることにより、電極活物質と電解質溶液との間で不可逆反応が生じるのを抑制することができ、これによりサイクル特性が良好で長寿命の二次電池を得ることができるという知見を得た。 The present inventors use an organic compound having a dithione structure, a dione structure, a stable radical group, and a diamine structure in a structural unit, which can obtain an electrode active material having good charge / discharge efficiency and a high capacity density. As a result of earnest research, the electrolyte solution contains at least one of a specific solvent species, that is, a cyclic sulfone compound, a cyclic ether compound, and a nitrile compound. It has been found that an irreversible reaction can be suppressed between the two, whereby a secondary battery having good cycle characteristics and a long life can be obtained.
本発明はこのような知見に基づきなされたものであって、本発明に係る二次電池は、電極活物質と、電解質塩を溶媒に溶解させた電解質溶液とを含有し、前記電極活物質の電池電極反応によって充放電を繰り返す二次電池であって、前記電極活物質が、ジチオン構造を有するジチオン化合物、ジオン構造を有するジオン化合物、安定ラジカル基を含有した有機ラジカル化合物、及びジアミン構造を有するジアミン化合物の中から選択された少なくとも一種を構成単位中に有する有機化合物を主体とし、前記電解質塩がリチウム塩で形成されると共に、前記溶媒が、環状スルホン化合物、環状エーテル化合物、及びニトリル系化合物の中から選択された少なくとも一種を含有していることを特徴としている。 The present invention has been made based on such knowledge, and the secondary battery according to the present invention includes an electrode active material and an electrolyte solution in which an electrolyte salt is dissolved in a solvent. A secondary battery that is repeatedly charged and discharged by a battery electrode reaction, wherein the electrode active material has a dithione compound having a dithione structure, a dione compound having a dione structure, an organic radical compound containing a stable radical group, and a diamine structure Mainly composed of an organic compound having at least one selected from diamine compounds in the structural unit, the electrolyte salt is formed of a lithium salt, and the solvent is a cyclic sulfone compound, a cyclic ether compound, and a nitrile compound. It contains at least one selected from the above.
また、本発明の二次電池は、前記環状スルホン化合物が、一般式 Further, in the secondary battery of the present invention, the cyclic sulfone compound has the general formula:
ここで、上記一般式中、Zは、炭素数が1〜7のアルキレン基を示し、直鎖及び分枝鎖のいずれをも含む。 Here, in the above general formula, Z represents an alkylene group having 1 to 7 carbon atoms, and includes both straight and branched chains.
また、本発明の二次電池は、前記環状エーテル化合物が、一般式 Further, in the secondary battery of the present invention, the cyclic ether compound has the general formula:
ここで、上記一般式中、p及びqは0〜3の整数であり、R1〜R3は炭素数が1〜8のアルキレン基を示し、フッ素原子を有する場合を含んでいる。さらに、これらR1〜R3は同一の場合、直鎖及び分岐鎖のいずれをも含む。Here, in the above general formula, p and q is an integer of 0 to 3, R 1 to R 3 represents an alkylene group having 1 to 8 carbon atoms, and includes a case having a fluorine atom. Furthermore, when these R 1 to R 3 are the same, they include both straight and branched chains.
さらに、本発明の二次電池は、前記ニトリル系化合物が、一般式
R4−C≡N、N≡C−R5−C≡N、及び、R6OR7−C≡N
のうちのいずれかで表されるのが好ましい。Further, in the secondary battery of the present invention, the nitrile compound has a general formula of R 4 —C≡N, N≡C—R 5 —C≡N, and R 6 OR 7 —C≡N.
Is preferably represented by any of the above.
ここで、上記一般式中、R4及びR6は、炭素数が1〜4のアルキル基、R5及びR7は、炭素数が1〜7のアルキレン基を示し、これらR4〜R7は、直鎖及び分岐鎖のいずれをも含む。Here, in the general formula, R 4 and R 6 represents an alkyl group having 1 to 4 carbon atoms, R 5 and R 7 represents an alkylene group having a carbon number of 1-7, these R 4 to R 7 Includes both straight and branched chains.
また、本発明の二次電池は、前記電解質塩が、一般式 Further, in the secondary battery of the present invention, the electrolyte salt has a general formula.
ここで、上記一般式中、R8〜R12は、フッ素原子及びフルオロアルキル基のうちのいずれか一方を示し、これらR8〜R12は同一の場合を含んでいる。また、R13はフルオロアルキレン基を示し、R14は炭素数が1〜7のフルオロアルキル基を示している。Here, in said general formula, R < 8 > -R < 12 > shows either one of a fluorine atom and a fluoroalkyl group, and these R < 8 > -R < 12 > includes the same case. R 13 represents a fluoroalkylene group, and R 14 represents a fluoroalkyl group having 1 to 7 carbon atoms.
また、本発明の二次電池は、前記ジチオン化合物が、一般式 In the secondary battery of the present invention, the dithione compound has the general formula:
ここで、上記一般式中、nは1以上の整数であり、R15〜R17及びR19は、置換若しくは非置換のアミノ基、置換若しくは非置換のイミノ基、置換若しくは非置換のアルキル基、置換若しくは非置換のアルキレン基、置換若しくは非置換のアリール基、置換若しくは非置換のアラルキル基、置換若しくは非置換のシクロアルキル基、置換若しくは非置換のアルコキシル基、置換若しくは非置換のアルケニル基、置換若しくは非置換のアリールオキシ基、置換若しくは非置換のアリールアミノ基、置換若しくは非置換のアルキルアミノ基、置換若しくは非置換のチオアリール基、置換若しくは非置換のチオアルキル基、置換若しくは非置換の複素環基、置換若しくは非置換のホルミル基、置換若しくは非置換のシリル基、置換若しくは非置換のシアノ基、置換若しくは非置換のニトロ基、置換若しくは非置換のニトロソ基、置換若しくは非置換のカルボキシル基、置換若しくは非置換のアルコキシカルボニル基、及びこれらの1以上の組み合わせからなる連結基のいずれかを示し、これらR15〜R17及びR19は同一の場合、及び互いに連結して飽和又は不飽和の環構造を形成する場合を含み、R18は、置換若しくは非置換のアルキレン基、置換若しくは非置換のアリーレン基、及びイミノ基のうちの少なくとも1種を示し、前記イミノ基同士が互いに連結している場合を含む。Here, in the above general formula, n is an integer of 1 or more, and R 15 to R 17 and R 19 are a substituted or unsubstituted amino group, a substituted or unsubstituted imino group, a substituted or unsubstituted alkyl group. Substituted or unsubstituted alkylene group, substituted or unsubstituted aryl group, substituted or unsubstituted aralkyl group, substituted or unsubstituted cycloalkyl group, substituted or unsubstituted alkoxyl group, substituted or unsubstituted alkenyl group, Substituted or unsubstituted aryloxy group, substituted or unsubstituted arylamino group, substituted or unsubstituted alkylamino group, substituted or unsubstituted thioaryl group, substituted or unsubstituted thioalkyl group, substituted or unsubstituted heterocyclic ring Group, substituted or unsubstituted formyl group, substituted or unsubstituted silyl group, substituted or unsubstituted Any one of a cyano group, a substituted or unsubstituted nitro group, a substituted or unsubstituted nitroso group, a substituted or unsubstituted carboxyl group, a substituted or unsubstituted alkoxycarbonyl group, and a linking group comprising one or more combinations thereof R 15 to R 17 and R 19 are the same, and include a case where they are linked to each other to form a saturated or unsaturated ring structure, and R 18 is a substituted or unsubstituted alkylene group, substituted or It represents at least one of an unsubstituted arylene group and an imino group, and includes a case where the imino groups are linked to each other.
さらに、本発明の二次電池は、前記ジオン化合物が、一般式 Furthermore, in the secondary battery of the present invention, the dione compound has the general formula:
ここで、上記一般式中、nは1以上の整数であり、R20〜R22及びR24は、置換若しくは非置換のアミノ基、置換若しくは非置換のイミノ基、置換若しくは非置換のアルキル基、置換若しくは非置換のアルキレン基、置換若しくは非置換のアリール基、置換若しくは非置換のアラルキル基、置換若しくは非置換のシクロアルキル基、置換若しくは非置換のアルコキシル基、置換若しくは非置換のアルケニル基、置換若しくは非置換のアリールオキシ基、置換若しくは非置換のアリールアミノ基、置換若しくは非置換のアルキルアミノ基、置換若しくは非置換のチオアリール基、置換若しくは非置換のチオアルキル基、置換若しくは非置換の複素環基、置換若しくは非置換のホルミル基、置換若しくは非置換のシリル基、置換若しくは非置換のシアノ基、置換若しくは非置換のニトロ基、置換若しくは非置換のニトロソ基、置換若しくは非置換のカルボキシル基、置換若しくは非置換のアルコキシカルボニル基、及びこれらの1以上の組み合わせからなる連結基のいずれかを示し、これらR20〜R22及びR24は同一の場合、及び互いに連結して飽和又は不飽和の環構造を形成する場合を含み、R23は、置換若しくは非置換のアルキレン基、置換若しくは非置換のアリーレン基、及びイミノ基のうちの少なくとも1種を示し、前記イミノ基同士が互いに連結している場合を含む。Here, in the above general formula, n is an integer of 1 or more, and R 20 to R 22 and R 24 are a substituted or unsubstituted amino group, a substituted or unsubstituted imino group, a substituted or unsubstituted alkyl group. Substituted or unsubstituted alkylene group, substituted or unsubstituted aryl group, substituted or unsubstituted aralkyl group, substituted or unsubstituted cycloalkyl group, substituted or unsubstituted alkoxyl group, substituted or unsubstituted alkenyl group, Substituted or unsubstituted aryloxy group, substituted or unsubstituted arylamino group, substituted or unsubstituted alkylamino group, substituted or unsubstituted thioaryl group, substituted or unsubstituted thioalkyl group, substituted or unsubstituted heterocyclic ring Group, substituted or unsubstituted formyl group, substituted or unsubstituted silyl group, substituted or unsubstituted Any one of a cyano group, a substituted or unsubstituted nitro group, a substituted or unsubstituted nitroso group, a substituted or unsubstituted carboxyl group, a substituted or unsubstituted alkoxycarbonyl group, and a linking group comprising one or more combinations thereof R 20 to R 22 and R 24 are the same and include the case where they are linked to each other to form a saturated or unsaturated ring structure, and R 23 is a substituted or unsubstituted alkylene group, substituted or It represents at least one of an unsubstituted arylene group and an imino group, and includes a case where the imino groups are linked to each other.
また、本発明の二次電池は、前記有機ラジカル化合物が、ニトロキシルラジカル系化合物であるのが好ましい。 In the secondary battery of the present invention, the organic radical compound is preferably a nitroxyl radical compound.
さらに、本発明の二次電池は、前記ニトロキシルラジカル系化合物は、2,2,6,6−テトラメチルピペリジン−N−オキシルラジカルを分子構造中に含んでいるのが好ましい。 Furthermore, in the secondary battery of the present invention, it is preferable that the nitroxyl radical-based compound contains 2,2,6,6-tetramethylpiperidine-N-oxyl radical in the molecular structure.
また、本発明の二次電池は、ジアミン化合物が、一般式 In the secondary battery of the present invention, the diamine compound has the general formula
上記一般式中、R25及びR26は、置換若しくは非置換のアルキル基、置換若しくは非置換のアルキレン基、置換若しくは非置換のアリーレン基、置換若しくは非置換のカルボニル基、置換若しくは非置換のアシル基、置換若しくは非置換のアルコキシカルボニル基、置換若しくは非置換のエステル基、置換若しくは非置換のエーテル基、置換若しくは非置換のチオエーテル基、置換若しくは非置換のアミノ基、置換若しくは非置換のアミド基、置換若しくは非置換のスルホン基、置換若しくは非置換のチオスルホニル基、置換若しくは非置換のスルホンアミド基、置換若しくは非置換のイミノ基、置換若しくは非置換のアゾ基、及びこれらの1以上の組み合わせからなる連結基のいずれかを示す。X1〜X4は、水素原子、ハロゲン原子、ヒドロキシル基、ニトロ基、シアノ基、カルボキシル基、置換若しくは非置換のアルキル基、置換若しくは非置換のアルケニル基、置換若しくは非置換のシクロアルキル基、置換若しくは非置換のアリール基、置換若しくは非置換の芳香族複素環基、置換若しくは非置換のアラルキル基、置換若しくは非置換のアミノ基、置換若しくは非置換のアルコキシ基、置換若しくは非置換のアリールオキシ基、置換若しくは非置換のアルコキシカルボニル基、置換若しくは非置換のアリールオキシカルボニル基、置換若しくは非置換のアシル基、及び置換若しくは非置換のアシルオキシ基のうちの少なくとも一種を示し、これらの置換基は置換基同士で環構造を形成する場合を含んでいる。In the above general formula, R 25 and R 26 are a substituted or unsubstituted alkyl group, a substituted or unsubstituted alkylene group, a substituted or unsubstituted arylene group, a substituted or unsubstituted carbonyl group, a substituted or unsubstituted acyl group. Group, substituted or unsubstituted alkoxycarbonyl group, substituted or unsubstituted ester group, substituted or unsubstituted ether group, substituted or unsubstituted thioether group, substituted or unsubstituted amino group, substituted or unsubstituted amide group , Substituted or unsubstituted sulfone groups, substituted or unsubstituted thiosulfonyl groups, substituted or unsubstituted sulfonamido groups, substituted or unsubstituted imino groups, substituted or unsubstituted azo groups, and combinations of one or more of these Any one of the linking groups consisting of X 1 to X 4 are a hydrogen atom, a halogen atom, a hydroxyl group, a nitro group, a cyano group, a carboxyl group, a substituted or unsubstituted alkyl group, a substituted or unsubstituted alkenyl group, a substituted or unsubstituted cycloalkyl group, Substituted or unsubstituted aryl group, substituted or unsubstituted aromatic heterocyclic group, substituted or unsubstituted aralkyl group, substituted or unsubstituted amino group, substituted or unsubstituted alkoxy group, substituted or unsubstituted aryloxy Represents at least one of a group, a substituted or unsubstituted alkoxycarbonyl group, a substituted or unsubstituted aryloxycarbonyl group, a substituted or unsubstituted acyl group, and a substituted or unsubstituted acyloxy group, and these substituents are This includes the case where a substituent forms a ring structure.
また、本発明の二次電池は、前記電極活物質が、前記電池電極反応の少なくとも放電反応における反応出発物、生成物及び中間生成物のうちのいずれかに含まれるのが好ましい。 In the secondary battery of the present invention, it is preferable that the electrode active material is included in at least one of a reaction starting material, a product, and an intermediate product in the discharge reaction of the battery electrode reaction.
さらに、本発明の二次電池は、正極及び負極を有し、前記正極が前記電極活物質を主体としているのが好ましい。 Furthermore, the secondary battery of the present invention preferably has a positive electrode and a negative electrode, and the positive electrode is mainly composed of the electrode active material.
本発明の二次電池によれば、電極活物質が、ジチオン構造を有するジチオン化合物、ジオン構造を有するジオン化合物、安定ラジカル基を含有した有機ラジカル化合物、及びジアミン構造を有するジアミン化合物の中から選択された少なくとも一種を構成単位中に有する有機化合物を主体とし、電解質溶液の電解質塩がリチウム塩で形成されると共に、溶媒が、環状スルホン化合物、環状エーテル化合物、及びニトリル系化合物の中から選択された少なくとも一種を含有しているので、電極活物質が不可逆反応を生じるのを抑制することができる。したがって、電極活物質は電池電極反応のみに寄与できるようになり、充放電効率が良好で充放電反応を安定的に繰り返すことができるようになる。すなわち、電極活物質の不要な不可逆反応の発生を抑制することにより、充放電反応時のイオンの移動が容易となり、円滑かつ安定した充放電反応が生じることから、短時間での充電や高出力での放電が可能となり、これによりエネルギー密度が大きく長サイクル寿命を有する二次電池を得ることが可能となる。 According to the secondary battery of the present invention, the electrode active material is selected from a dithione compound having a dithione structure, a dione compound having a dione structure, an organic radical compound having a stable radical group, and a diamine compound having a diamine structure. An organic compound having at least one of the above-mentioned constituents in a structural unit, the electrolyte salt of the electrolyte solution is formed of a lithium salt, and the solvent is selected from a cyclic sulfone compound, a cyclic ether compound, and a nitrile compound. In addition, since at least one kind is contained, the electrode active material can be prevented from causing an irreversible reaction. Accordingly, the electrode active material can contribute only to the battery electrode reaction, the charge / discharge efficiency is good, and the charge / discharge reaction can be stably repeated. That is, by suppressing the occurrence of unnecessary irreversible reactions of the electrode active material, the movement of ions during the charge / discharge reaction is facilitated, and a smooth and stable charge / discharge reaction occurs. This makes it possible to obtain a secondary battery having a large energy density and a long cycle life.
しかも、電極活物質が有機化合物を主体としているため、環境負荷も低く安全性にも配慮したものとなる。 In addition, since the electrode active material is mainly composed of organic compounds, the environmental load is low and safety is taken into consideration.
次に、本発明の実施の形態を詳説する。 Next, an embodiment of the present invention will be described in detail.
図1は、本発明に係る二次電池の一実施の形態としてのコイン型二次電池を示す断面図である。 FIG. 1 is a cross-sectional view showing a coin-type secondary battery as an embodiment of a secondary battery according to the present invention.
電池缶1は、正極ケース2と負極ケース3とを有し、該正極ケース2及び負極ケース3は、いずれも円盤状の薄板形状に形成されている。そして、正極集電体を構成する正極ケース2の底部中央には、正極活物質(電極活物質)をシート状に形成した正極4が配されている。また、正極4上にはポリプロピレン等の多孔質フィルムで形成されたセパレータ5が積層され、さらにセパレータ5には負極6が積層されている。負極6としては、例えば、Cuにリチウムの金属箔を重ね合わせたものや、黒鉛やハードカーボン等のリチウム吸蔵材料を前記金属箔に塗布したものを使用することができる。そして、負極6にはCu等で形成された負極集電体7が積層されると共に、該負極集電体7には金属製ばね8が載置されている。また、電解質溶液9が内部空間に注入されると共に、負極ケース3は金属製ばね8の付勢力に抗して正極ケース2に固着され、ガスケット10を介して封止されている。
The battery can 1 has a positive electrode case 2 and a negative electrode case 3, and both the positive electrode case 2 and the negative electrode case 3 are formed in a disk-like thin plate shape. And the positive electrode 4 which formed the positive electrode active material (electrode active material) in the sheet form is distribute | arranged to the center of the bottom part of the positive electrode case 2 which comprises a positive electrode collector. A separator 5 formed of a porous film such as polypropylene is laminated on the positive electrode 4, and a
そして、上記二次電池では、正極活物質は特定の構造を構成単位中に含有した有機化合物を主体としている。具体的には、前記有機化合物は、ジチオン構造を有するジチオン化合物、ジオン構造を有するジオン化合物、安定ラジカル基を含有した有機ラジカル化合物、及びジアミン構造を有するジアミン化合物の中から選択された少なくとも一種を構成単位中に含有している。 And in the said secondary battery, the positive electrode active material has mainly the organic compound which contained the specific structure in the structural unit. Specifically, the organic compound includes at least one selected from a dithione compound having a dithione structure, a dione compound having a dione structure, an organic radical compound having a stable radical group, and a diamine compound having a diamine structure. Contained in structural units.
また、電解質溶液9は、リチウム塩で形成された電解質塩と該電解質塩を溶解する溶媒とを含有し、前記溶媒中に環状スルホン化合物、環状エーテル化合物及びニトリル系化合物の中からなる選択された少なくとも一種の特定の溶媒種を含有している。すなわち、電解質溶液9は、正極4と、該正極4の対向電極である負極6との間に介在されて両電極間の荷電担体の輸送を行なうが、本実施の形態では、リチウム塩で形成された電解質塩を上述した特定の溶媒種を含有した溶媒に溶解又は相溶させて使用する。そして、これにより電極活物質の不要な不可逆反応の発生が抑制されることから、充放電反応時のイオンの移動が容易となり、円滑かつ安定した充放電反応を生じさせることが可能となる。そしてその結果、短時間での充電や高出力での放電が可能となり、エネルギー密度が大きく長寿命の電極活物質を有する二次電池を実現することができる。
The electrolyte solution 9 contains an electrolyte salt formed of a lithium salt and a solvent that dissolves the electrolyte salt, and is selected from a cyclic sulfone compound, a cyclic ether compound, and a nitrile compound in the solvent. It contains at least one specific solvent species. That is, the electrolyte solution 9 is interposed between the positive electrode 4 and the
すなわち、近年、有機化合物を主体とした電極活物質が注目されているが、その中でも上述したジチオン化合物、ジオン化合物、有機ラジカル化合物、及びジアミン化合物は、充放電効率が良好で高容量密度の実現が可能な活物質材料として有望視されている。 That is, in recent years, electrode active materials mainly composed of organic compounds have attracted attention. Among them, the above-described dithion compounds, dione compounds, organic radical compounds, and diamine compounds have good charge / discharge efficiency and high capacity density. Is promising as a possible active material.
しかしながら、これらの有機化合物では、低分子量の化合物を使用した場合は、電解質溶液9への溶解や、溶解した化合物による電極の汚染などが生じ易く、このため繰り返し充放電に対する安定性に欠ける。一方、高分子化合物を使用した場合は、高分子化合物内の分子間相互作用が大きく、このため、イオンの移動が妨げられ、有効に利用できる活物質の割合が少なくなるおそれがある。 However, in these organic compounds, when a low molecular weight compound is used, dissolution in the electrolyte solution 9 and contamination of the electrode by the dissolved compound are likely to occur, and therefore, stability against repeated charge and discharge is lacking. On the other hand, when a polymer compound is used, the intermolecular interaction in the polymer compound is large, which may hinder the movement of ions and reduce the proportion of the active material that can be used effectively.
しかも、これらの有機化合物は、充放電に関与する酸化還元反応以外に、電解質溶液9中で不可逆反応が生じ易く、電極活物質の失活を招くおそれがある。 Moreover, these organic compounds are liable to cause irreversible reactions in the electrolyte solution 9 in addition to the oxidation-reduction reactions involved in charge and discharge, and may cause deactivation of the electrode active material.
しかるに、本発明者らが鋭意研究を行なったところ、溶媒中に上述した特定の溶媒種を含有した電解質溶液9を使用することにより、上記有機化合物を主体とする正極活物質が電解質溶液9中に溶出するのを効果的に抑制でき、その結果、電解質溶液9中で不要な不可逆反応が生じるのを抑制できて安定化し、これにより、充放電反応時のイオンの移動が容易となって充放電反応が円滑に進行し、短時間での充電や高出力での放電を安定的に行うことが可能であることが分った。 However, as a result of intensive studies by the present inventors, the positive electrode active material mainly composed of the organic compound is contained in the electrolyte solution 9 by using the electrolyte solution 9 containing the above-mentioned specific solvent species in the solvent. Can be effectively suppressed, and as a result, unnecessary irreversible reactions can be suppressed and stabilized in the electrolyte solution 9, thereby facilitating the movement of ions during the charge / discharge reaction. It has been found that the discharge reaction proceeds smoothly and that charging in a short time and discharging at a high output can be performed stably.
そこで、本実施の形態では、電解質溶液9の溶媒中に上記特定の溶媒種(環状スルホン化合物、環状エーテル化合物及びニトリル系化合物の中から選択された少なくとも一種)を含有させ、これによりエネルギー密度が大きく、高出力で充放電を繰り返しても容量低下の少ない長サイクル寿命を有する二次電池を得るようにしている。 Therefore, in the present embodiment, the solvent of the electrolyte solution 9 contains the specific solvent species (at least one selected from a cyclic sulfone compound, a cyclic ether compound, and a nitrile compound), whereby the energy density is increased. A large secondary battery having a long cycle life with little reduction in capacity even after repeated charging and discharging at high output is obtained.
このような特定の溶媒種としては、環状スルホン化合物、環状エーテル化合物及びニトリル系化合物に属するものであれば、特に限定されるものではないが、以下の一般式に示す化合物が好んで使用される。 Such a specific solvent species is not particularly limited as long as it belongs to a cyclic sulfone compound, a cyclic ether compound, and a nitrile compound, but a compound represented by the following general formula is preferably used. .
すなわち、環状スルホン化合物としては、一般式(1)で表されるものを好んで使用することができる。 That is, as the cyclic sulfone compound, those represented by the general formula (1) can be preferably used.
ここで、上記一般式(1)中、Zは、炭素数が1〜7のアルキレン基を示し、直鎖及び分枝鎖のいずれをも含んでいる。 Here, in the general formula (1), Z represents an alkylene group having 1 to 7 carbon atoms, and includes both straight and branched chains.
尚、環状スルホン化合物であっても、炭素数が8以上になると、長鎖状となって粘度が高くなり、好ましくない。 Even in the case of a cyclic sulfone compound, when the number of carbon atoms is 8 or more, it becomes a long chain and the viscosity becomes high, which is not preferable.
一般式(1)の範疇に属する環状スルホン化合物としては、下記化学式(1a)に示すスルホラン、下記化学式(1b)に示す3−メチルスルホラン、下記化学式(1c)に示す2,4−ジメチルスルホラン、下記化学式(1d)に示す2,3−ジメチルスルホラン等を挙げることができる。 Examples of the cyclic sulfone compound belonging to the category of the general formula (1) include sulfolane represented by the following chemical formula (1a), 3-methylsulfolane represented by the following chemical formula (1b), 2,4-dimethylsulfolane represented by the following chemical formula (1c), Examples include 2,3-dimethylsulfolane represented by the following chemical formula (1d).
また、環状エーテル化合物としては、一般式(2)で表されるものを好んで使用することができる。 Moreover, as a cyclic ether compound, what is represented by General formula (2) can be used preferably.
ここで、上記一般式(2)中、p及びqは0〜3の整数であり、R1〜R3は炭素数が1〜8のアルキレン基を示し、フッ素原子を有する場合を含んでいる。さらに、これらR1〜R3は、同一の場合、直鎖及び分岐鎖のいずれをも含んでいる。Here, in the above general formula (2), p and q is an integer of 0 to 3,
尚、環状エーテル化合物であっても、炭素数が9以上やp、qが4以上になると、長鎖状となって粘度が高くなり、好ましくない。 Even in the case of a cyclic ether compound, when the number of carbon atoms is 9 or more and p and q are 4 or more, the chain becomes long and the viscosity becomes high, which is not preferable.
上記一般式(2)の範疇に属する環状エーテル化合物としては、下記化学式(2a)に示すテトラヒドロフラン、下記化学式(2b)に示す2−メチルテトラヒドロフラン、下記化学式(2c)に示す1,3−ジオキソラン、下記化学式(2d)に示す1,4−ジオキサン、下記化学式(2e)に示す12−クラウン−4−エーテル、下記化学式(2f)に示す18−クラウン−6−エーテル等を挙げることができる。 Examples of the cyclic ether compound belonging to the category of the general formula (2) include tetrahydrofuran represented by the following chemical formula (2a), 2-methyltetrahydrofuran represented by the following chemical formula (2b), 1,3-dioxolane represented by the following chemical formula (2c), Examples include 1,4-dioxane represented by the following chemical formula (2d), 12-crown-4-ether represented by the following chemical formula (2e), 18-crown-6-ether represented by the following chemical formula (2f), and the like.
また、ニトリル系化合物としては、一般式(3)〜(5)で表されるものを好んで使用することができる。 Moreover, as a nitrile type compound, what is represented by general formula (3)-(5) can be used preferably.
R4−C≡N …(3)
N≡C−R5−C≡N …(4)
R6OR7−C≡N …(5)R 4 —C≡N (3)
N≡C—R 5 —C≡N (4)
R 6 OR 7 —C≡N (5)
ここで、上記一般式(3)〜(5)中、R4及びR6は、炭素数が1〜4のアルキル基、R5及びR7は、炭素数が1〜7のアルキレン基をそれぞれ示し、これらR4〜R7は、直鎖及び分岐鎖のいずれをも含む。Here, in the general formulas (3) to (5), R 4 and R 6 are each an alkyl group having 1 to 4 carbon atoms, and R 5 and R 7 are each an alkylene group having 1 to 7 carbon atoms. These R 4 to R 7 include both straight and branched chains.
一般式(3)の範疇に属するニトリル系化合物としては、下記化学式(3a)に示すアセトニトリル、下記化学式(3b)に示すプロピオニトリル等を挙げることができる。一般式(4)の範疇に属するニトリル系化合物としては、下記化学式(4a)に示すアジポニトリル、下記化学式(4b)に示すグルタロニトリル等を挙げることができる。一般式(5)の範疇に属するニトリル系化合物としては、下記化学式(5a)に示すバレロニトリル、下記化学式(5b)に示すメトキシアセトニトリル、下記化学式(5c)に示すメトキシプロピオニトリル等を挙げることができる。 Examples of the nitrile compound belonging to the category of the general formula (3) include acetonitrile represented by the following chemical formula (3a), propionitrile represented by the following chemical formula (3b), and the like. Examples of the nitrile compound belonging to the category of the general formula (4) include adiponitrile represented by the following chemical formula (4a), glutaronitrile represented by the following chemical formula (4b), and the like. Examples of the nitrile compound belonging to the category of the general formula (5) include valeronitrile represented by the following chemical formula (5a), methoxyacetonitrile represented by the following chemical formula (5b), methoxypropionitrile represented by the following chemical formula (5c), and the like. Can do.
これら特定の溶媒種の含有量は、特に限定されるものではないが、所期の効果を発揮するためには、溶媒中で50質量%以上が好ましい。また、これら特定の溶媒種は、少なくとも一種含有させることが重要である。したがって、上記特定の溶媒種のうち、同一範疇に属する化合物を2種類以上(例えば、スルホランと3−メチルスルホランとの組み合わせ等)含有させたり、或いは異なる範疇に属する化合物を2種類以上(例えば、スルホランとアセトニトリルとの組み合わせ等)含有させてもよく、必要に応じてこれら特定の溶媒種以外の化合物を添加剤として含有させてもよい。 Although content of these specific solvent seed | species is not specifically limited, In order to exhibit an expected effect, 50 mass% or more is preferable in a solvent. Moreover, it is important to contain at least one of these specific solvent species. Therefore, among the specific solvent species, two or more compounds belonging to the same category (for example, a combination of sulfolane and 3-methylsulfolane) are contained, or two or more compounds belonging to different categories (for example, A combination of sulfolane and acetonitrile, etc.) may be contained, and if necessary, compounds other than these specific solvent species may be contained as additives.
電解質溶液9中で溶媒に溶解する電解質塩ついても、特に限定されるものではないが、一般式(6)〜(9)で表されるアニオンを含有したリチウム塩を好んで使用することができる。 The electrolyte salt that dissolves in the solvent in the electrolyte solution 9 is not particularly limited, but lithium salts containing anions represented by the general formulas (6) to (9) can be preferably used. .
ここで、上記一般式(6)〜(9)中、R8〜R12は、フッ素原子及びフルオロアルキル基のうちのいずれか一方を示し、これらR8〜R12は同一の場合を含んでいる。また、R13はフルオロアルキレン基を示し、R14は炭素数が1〜7のフルオロアルキル基を示している。Here, in said general formula (6)-(9), R < 8 > -R < 12 > shows either one of a fluorine atom and a fluoroalkyl group, and these R < 8 > -R < 12 > include the case where it is the same. Yes. R 13 represents a fluoroalkylene group, and R 14 represents a fluoroalkyl group having 1 to 7 carbon atoms.
一般式(6)の範疇に属するアニオンとしては、下記化学式(6a)〜(6d)で表されるものを挙げることができる。 Examples of the anion belonging to the category of the general formula (6) include those represented by the following chemical formulas (6a) to (6d).
(FSO2)2N− …(6a)
(CF3SO2)2N− …(6b)
(C2F5SO2)2N− …(6c)
(CF3SO2)(C2F5SO2)N− …(6d)(FSO 2 ) 2 N − (6a)
(CF 3 SO 2 ) 2 N − (6b)
(C 2 F 5 SO 2 ) 2 N − (6c)
(CF 3 SO 2 ) (C 2 F 5 SO 2 ) N − (6d)
一般式(7)の範疇に属するアニオンとしては、下記化学式(7a)〜(7e)で表されるものを挙げることができる。 Examples of the anion belonging to the category of the general formula (7) include those represented by the following chemical formulas (7a) to (7e).
(FSO2)3C− …(7a)
(CF3SO2)3C− …(7b)
(C2F5SO2)3C− …(7c)
(CF3SO2)2(C2F5SO2)C− …(7d)
(C2F5SO2)2(CF3SO2)C− …(7e)(FSO 2 ) 3 C − (7a)
(CF 3 SO 2 ) 3 C − (7b)
(C 2 F 5 SO 2 ) 3 C − (7c)
(CF 3 SO 2 ) 2 (C 2 F 5 SO 2 ) C − (7d)
(C 2 F 5 SO 2) 2 (CF 3 SO 2) C - ... (7e)
一般式(8)の範疇に属するアニオンとしては、下記化学式(8a)〜(8c)で表されるものを挙げることができる。 Examples of the anion belonging to the category of the general formula (8) include those represented by the following chemical formulas (8a) to (8c).
一般式(9)の範疇に属するアニオンとしては、下記化学式(9a)〜(9c)で表されるものを挙げることができる。 Examples of the anion belonging to the category of the general formula (9) include those represented by the following chemical formulas (9a) to (9c).
CF3SO3 − …(9a)
C2F5SO3 − …(9b)
C3F7SO3 − …(9c)CF 3 SO 3 − (9a)
C 2 F 5 SO 3 − (9b)
C 3 F 7 SO 3 − (9c)
電解質溶液9中の電解質塩の含有量は、特に限定されるものではないが、所期の効果を発揮するためには、10〜80質量%が好ましい。また、電解質塩に含有される上記アニオン種についても、上述した溶媒種と同様、必要に応じ、同一範疇に属する化合物を2種類以上(例えば、(CF3SO2)2N−と(C2F5SO2)2N−との組み合わせ等)含有させたり、或いは異なる範疇に属する化合物を2種類以上(例えば、(C2F5SO2)2N−とCF3SO3 −との組み合わせ等)含有させることも可能である。The content of the electrolyte salt in the electrolyte solution 9 is not particularly limited, but is preferably 10 to 80% by mass in order to exhibit the desired effect. In addition, with respect to the anion species contained in the electrolyte salt, two or more compounds belonging to the same category (for example, (CF 3 SO 2 ) 2 N − and (C 2 F 5 SO 2) 2 N - combinations) may be contained with, or different categories belonging compound 2 or more (e.g., (C 2 F 5 SO 2) 2 N - and CF 3 SO 3 - and combinations of Etc.) It can also be contained.
次に、正極活物質の主体となる上記各有機化合物について、詳述する。 Next, each organic compound that is a main component of the positive electrode active material will be described in detail.
(1)ジチオン化合物
ジチオン化合物は、充放電時(酸化状態及び還元状態)の安定性に優れており、酸化還元反応で二電子以上の多電子反応が可能である。したがって、前記ジチオン化合物を正極活物質に使用し、かつ電解質溶液9に上述した特定の溶媒種を含有した溶媒を使用することにより、正極活物質であるジチオン化合物は、不可逆反応が生じるのが抑制されて電解質溶液9中で安定化することから、多電子反応の充放電を安定的に繰り返すことができ、充放電効率が良好で高容量密度の二次電池を得ることが可能となる。(1) Dithione compound The dithione compound is excellent in stability during charge and discharge (oxidized state and reduced state), and can perform a multi-electron reaction of two or more electrons by an oxidation-reduction reaction. Therefore, by using the dithione compound as the positive electrode active material and using the solvent containing the above-mentioned specific solvent species in the electrolyte solution 9, the dithione compound as the positive electrode active material is suppressed from causing an irreversible reaction. Thus, since the electrolyte solution 9 is stabilized, the charge / discharge of the multi-electron reaction can be stably repeated, and a secondary battery having good charge / discharge efficiency and high capacity density can be obtained.
このようなジチオン化合物としては、構成単位中にジチオン構造を有するものであれば特に限定されるものではないが、下記一般式(10)又は(11)で表される化合物を好んで使用することができる。 Such a dithione compound is not particularly limited as long as it has a dithione structure in the structural unit, but a compound represented by the following general formula (10) or (11) is preferably used. Can do.
ここで、上記化学式(10)、(11)中、nは1以上の整数であり、R15〜R17及びR19は、置換若しくは非置換のアミノ基、置換若しくは非置換のイミノ基、置換若しくは非置換のアルキル基、置換若しくは非置換のアルキレン基、置換若しくは非置換のアリール基、置換若しくは非置換のアラルキル基、置換若しくは非置換のシクロアルキル基、置換若しくは非置換のアルコキシル基、置換若しくは非置換のアルケニル基、置換若しくは非置換のアリールオキシ基、置換若しくは非置換のアリールアミノ基、置換若しくは非置換のアルキルアミノ基、置換若しくは非置換のチオアリール基、置換若しくは非置換のチオアルキル基、置換若しくは非置換の複素環基、置換若しくは非置換のホルミル基、置換若しくは非置換のシリル基、置換若しくは非置換のシアノ基、置換若しくは非置換のニトロ基、置換若しくは非置換のニトロソ基、置換若しくは非置換のカルボキシル基、置換若しくは非置換のアルコキシカルボニル基、及びこれらの1以上の組み合わせからなる連結基のいずれかを示し、これらR15〜R17及びR19は同一の場合、及び互いに連結して飽和若しくは又は不飽和の環構造を形成する場合を含む。また、R18は、置換若しくは非置換のアルキレン基、置換若しくは非置換のアリーレン基、及びイミノ基のうちの少なくとも1種を示し、前記イミノ基同士が互いに連結している場合を含む。Here, in the above chemical formulas (10) and (11), n is an integer of 1 or more, and R 15 to R 17 and R 19 are a substituted or unsubstituted amino group, a substituted or unsubstituted imino group, a substituted Or an unsubstituted alkyl group, a substituted or unsubstituted alkylene group, a substituted or unsubstituted aryl group, a substituted or unsubstituted aralkyl group, a substituted or unsubstituted cycloalkyl group, a substituted or unsubstituted alkoxyl group, substituted or Unsubstituted alkenyl group, substituted or unsubstituted aryloxy group, substituted or unsubstituted arylamino group, substituted or unsubstituted alkylamino group, substituted or unsubstituted thioaryl group, substituted or unsubstituted thioalkyl group, substituted Or an unsubstituted heterocyclic group, a substituted or unsubstituted formyl group, a substituted or unsubstituted silyl group, It consists of a substituted or unsubstituted cyano group, a substituted or unsubstituted nitro group, a substituted or unsubstituted nitroso group, a substituted or unsubstituted carboxyl group, a substituted or unsubstituted alkoxycarbonyl group, and a combination of one or more thereof. Any one of linking groups is shown, and R 15 to R 17 and R 19 are the same, and include cases where they are linked to each other to form a saturated or unsaturated ring structure. R 18 represents at least one of a substituted or unsubstituted alkylene group, a substituted or unsubstituted arylene group, and an imino group, and includes a case where the imino groups are connected to each other.
そして、上記一般式(10)の範疇に属するジチオン化合物としては、下記化学式(10a)〜(10i)に示す有機化合物を挙げることができる。 And as a dithione compound which belongs to the category of the said General formula (10), the organic compound shown to following Chemical formula (10a)-(10i) can be mentioned.
下記化学反応式(I)は、化学式(10a)に示すジチオン化合物を正極活物質に使用し、Liを電解質塩のカチオンに使用した場合に予想される充放電反応の一例を示している。 The following chemical reaction formula (I) shows an example of a charge / discharge reaction expected when the dithione compound represented by the chemical formula (10a) is used as the positive electrode active material and Li is used as the cation of the electrolyte salt.
また、上記化学式(11)の範疇に属するジチオン化合物としては、下記化学式(11a)〜(11g)に示す有機化合物を挙げることができる。 Examples of the dithione compound belonging to the category of the chemical formula (11) include organic compounds represented by the following chemical formulas (11a) to (11g).
また、下記化学反応式(II)は、化学式(11a)に示すジチオン化合物を正極活物質に使用し、Liを電解質塩のカチオンに使用した場合に予想される充放電反応の一例を示している。 The following chemical reaction formula (II) shows an example of a charge / discharge reaction expected when the dithione compound shown in the chemical formula (11a) is used as the positive electrode active material and Li is used as the cation of the electrolyte salt. .
尚、上記正極活物質を構成する有機化合物の分子量は、特に限定されないが、ジチオン構造以外の部分が大きくなると、分子量が増加するため単位質量当たりの蓄電容量、すなわち容量密度が小さくなる。したがって、ジチオン構造以外の部分の分子量は小さいのが好ましい。 The molecular weight of the organic compound constituting the positive electrode active material is not particularly limited. However, when the portion other than the dithione structure is increased, the molecular weight is increased, so that the storage capacity per unit mass, that is, the capacity density is reduced. Therefore, it is preferable that the molecular weight of the portion other than the dithione structure is small.
(2)ジオン化合物
ジオン化合物も、ジチオン化合物と同様、充放電時(酸化状態及び還元状態)の安定性に優れており、酸化還元反応で二電子以上の多電子反応が可能である。したがって、前記ジオン化合物を正極活物質に使用し、かつ電解質溶液9に上述した特定の溶媒種を含有した溶媒を使用することにより、正極活物質であるジオン化合物は、不可逆反応が生じるのが抑制されて電解質溶液9中で安定化することから、多電子反応の充放電を安定的に繰り返すことができ、充放電効率が良好で高容量密度の二次電池を得ることが可能となる。(2) Dione Compound Like the dithione compound, the dione compound is excellent in stability during charge and discharge (oxidized state and reduced state), and can perform a multi-electron reaction of two or more electrons by an oxidation-reduction reaction. Therefore, by using the dione compound as the positive electrode active material and using the solvent containing the above-mentioned specific solvent species in the electrolyte solution 9, the dione compound as the positive electrode active material can suppress the occurrence of an irreversible reaction. Thus, since the electrolyte solution 9 is stabilized, the charge / discharge of the multi-electron reaction can be stably repeated, and a secondary battery having good charge / discharge efficiency and high capacity density can be obtained.
このようなジオン化合物としては、構成単位中にジオン構造を有するものであれば特に限定されるものではないが、下記一般式(12)又は(13)で表される化合物を好んで使用することができる。 The dione compound is not particularly limited as long as it has a dione structure in the structural unit, but preferably uses a compound represented by the following general formula (12) or (13). Can do.
ここで、上記化学式(12)又は(13)中、nは1以上の整数であり、R20〜R22及びR24は、置換若しくは非置換のアミノ基、置換若しくは非置換のイミノ基、置換若しくは非置換のアルキル基、置換若しくは非置換のアルキレン基、置換若しくは非置換のアリール基、置換若しくは非置換のアラルキル基、置換若しくは非置換のシクロアルキル基、置換若しくは非置換のアルコキシル基、置換若しくは非置換のアルケニル基、置換若しくは非置換のアリールオキシ基、置換若しくは非置換のアリールアミノ基、置換若しくは非置換のアルキルアミノ基、置換若しくは非置換のチオアリール基、置換若しくは非置換のチオアルキル基、置換若しくは非置換の複素環基、置換若しくは非置換のホルミル基、置換若しくは非置換のシリル基、置換若しくは非置換のシアノ基、置換若しくは非置換のニトロ基、置換若しくは非置換のニトロソ基、置換若しくは非置換のカルボキシル基、置換若しくは非置換のアルコキシカルボニル基、及びこれらの1以上の組み合わせからなる連結基のいずれかを示し、これらR20〜R22及びR24は同一の場合、及び互いに連結して飽和若しくは又は不飽和の環構造を形成する場合を含む。また、R23は、置換若しくは非置換のアルキレン基、置換若しくは非置換のアリーレン基、及びイミノ基のうちの少なくとも1種を示し、前記イミノ基同士が互いに連結している場合を含む。Here, in the above chemical formula (12) or (13), n is an integer of 1 or more, and R 20 to R 22 and R 24 are a substituted or unsubstituted amino group, a substituted or unsubstituted imino group, a substituted Or an unsubstituted alkyl group, a substituted or unsubstituted alkylene group, a substituted or unsubstituted aryl group, a substituted or unsubstituted aralkyl group, a substituted or unsubstituted cycloalkyl group, a substituted or unsubstituted alkoxyl group, substituted or Unsubstituted alkenyl group, substituted or unsubstituted aryloxy group, substituted or unsubstituted arylamino group, substituted or unsubstituted alkylamino group, substituted or unsubstituted thioaryl group, substituted or unsubstituted thioalkyl group, substituted Or an unsubstituted heterocyclic group, a substituted or unsubstituted formyl group, a substituted or unsubstituted silyl group, It consists of a substituted or unsubstituted cyano group, a substituted or unsubstituted nitro group, a substituted or unsubstituted nitroso group, a substituted or unsubstituted carboxyl group, a substituted or unsubstituted alkoxycarbonyl group, and one or more combinations thereof Any of the linking groups is shown, and these R 20 to R 22 and R 24 include the same case and the case where they are connected to each other to form a saturated or unsaturated ring structure. R 23 represents at least one of a substituted or unsubstituted alkylene group, a substituted or unsubstituted arylene group, and an imino group, and includes a case where the imino groups are linked to each other.
そして、上記一般式(12)の範疇に属するジオン化合物としては、下記化学式(12a)〜(12e)に示す有機化合物を挙げることができる。 And as a dione compound which belongs to the category of the said General formula (12), the organic compound shown to following Chemical formula (12a)-(12e) can be mentioned.
下記化学反応式(III)は、化学式(12a)で表されるジオン化合物を正極活物質に使用し、Liを電解質塩のカチオンに使用した場合に予想される充放電反応の一例を示している。 The following chemical reaction formula (III) shows an example of a charge / discharge reaction expected when the dione compound represented by the chemical formula (12a) is used as the positive electrode active material and Li is used as the cation of the electrolyte salt. .
また、上記化学式(13)の範疇に属するジオン化合物としては、下記化学式(13a)〜(13f)に示す有機化合物を挙げることができる。 Examples of the dione compound belonging to the category of the chemical formula (13) include organic compounds represented by the following chemical formulas (13a) to (13f).
下記化学反応式(IV)は、化学式(13a)に示すジオン化合物を正極活物質に使用し、Liを電解質塩のカチオンに使用した場合に予想される充放電反応の一例を示している。 The following chemical reaction formula (IV) shows an example of a charge / discharge reaction expected when the dione compound represented by the chemical formula (13a) is used as the positive electrode active material and Li is used as the cation of the electrolyte salt.
上記正極活物質を構成する有機化合物の分子量は、特に限定されないが、ジオン構造以外の部分が大きくなると、分子量が増加するため単位質量当たりの蓄電容量、すなわち容量密度が小さくなる。したがって、ジオン構造以外の部分の分子量は小さいのが好ましい。 The molecular weight of the organic compound constituting the positive electrode active material is not particularly limited. However, when the portion other than the dione structure is increased, the molecular weight is increased, so that the storage capacity per unit mass, that is, the capacity density is reduced. Therefore, the molecular weight of the portion other than the dione structure is preferably small.
(3)有機ラジカル化合物
安定ラジカル基を有する有機ラジカル化合物は、充放電反応の進行を迅速に行なうことが可能である。(3) Organic radical compound An organic radical compound having a stable radical group can rapidly advance a charge / discharge reaction.
すなわち、有機ラジカル化合物は、電子軌道の最外殻に不対電子であるラジカルを有している。このラジカルは、一般には反応性に富んだ化学種であり、周囲の物質との相互作用によって、ある程度の寿命をもって消失するものが多いが、共鳴効果や立体障害、溶媒和の状態によっては安定し、長時間安定して存在する安定ラジカルとなる。また、ラジカルは反応速度が速いので、安定ラジカルの酸化還元反応を利用して充放電を行うことが可能である。 That is, the organic radical compound has a radical which is an unpaired electron in the outermost shell of the electron orbit. These radicals are generally highly reactive chemical species, and many of them disappear with a certain lifetime due to interaction with surrounding substances, but they are stable depending on the state of resonance effect, steric hindrance, and solvation. It becomes a stable radical that exists stably for a long time. In addition, since radicals have a high reaction rate, it is possible to charge and discharge using a redox reaction of a stable radical.
そして、この有機ラジカル化合物では、反応する不対電子がラジカル原子に局在化して存在するため、反応部位の濃度を増大させることができ、これにより高容量の二次電池の実現が可能である。 And in this organic radical compound, since the unpaired electron which reacts exists and localizes in a radical atom, the density | concentration of a reaction site can be increased and, thereby, realization of a high capacity secondary battery is possible. .
したがって、有機ラジカル化合物を正極活物質に使用し、かつ電解質溶液9に上述した特定の溶媒種を含有した溶媒を使用することにより、正極活物質である有機ラジカル化合物は、不可逆反応が生じるのが抑制されて電解質溶液9中で安定化することから、多電子反応の充放電を安定的に繰り返すことができ、充放電効率が良好で高容量密度の二次電池を得ることが可能となる。 Therefore, by using an organic radical compound as the positive electrode active material and using a solvent containing the above-mentioned specific solvent species in the electrolyte solution 9, the organic radical compound that is the positive electrode active material undergoes an irreversible reaction. Since it is suppressed and stabilized in the electrolyte solution 9, it is possible to stably repeat charge and discharge of a multi-electron reaction, and to obtain a secondary battery with good charge and discharge efficiency and high capacity density.
このような有機ラジカル化合物に含有される安定ラジカル基としては、ニトロキシルラジカル基、窒素ラジカル基、酸素ラジカル基、チオアミニルラジカル基、硫黄ラジカル基、ホウ素ラジカル基等を使用することができるが、化学式(14)で表されるニトロキシルラジカル基を使用するのが好ましい。 As a stable radical group contained in such an organic radical compound, a nitroxyl radical group, a nitrogen radical group, an oxygen radical group, a thioaminyl radical group, a sulfur radical group, a boron radical group, etc. can be used. It is preferable to use a nitroxyl radical group represented by the chemical formula (14).
下記化学反応式(V)は、ニトロキシルラジカル基を含有したニトロキシルラジカル化合物を電極活物質に使用し、Liを電解質塩のカチオンに使用した場合に予想される充放電反応の一例を示している。 The chemical reaction formula (V) below shows an example of a charge / discharge reaction expected when a nitroxyl radical compound containing a nitroxyl radical group is used as an electrode active material and Li is used as a cation of an electrolyte salt. Yes.
また、ニトロキシル系ラジカル化合物の中でも、一般式(15)で表される2,2,6,6−テトラメチルピペリジン−N−オキシルラジカル構造を分子構造中に含む化合物は、充放電反応が安定して進行することから特に好ましい。 Further, among nitroxyl radical compounds, a compound containing a 2,2,6,6-tetramethylpiperidine-N-oxyl radical structure represented by the general formula (15) in the molecular structure has a stable charge / discharge reaction. It is particularly preferable because it proceeds.
上記一般式(15)の範疇に含まれる有機化合物としては、例えば、化学式(15a)〜(15e)に示すものや、これらを繰り返し単位の一部とする共重合体などを挙げることができる。 As an organic compound contained in the category of the said General formula (15), what is shown to Chemical formula (15a)-(15e), the copolymer which makes these some repeating units, etc. can be mentioned, for example.
上記正極活物質を構成する有機化合物の分子量は、特に限定されないが、2,2,6,6−テトラメチルピペリジン−N−オキシルラジカル構造等の安定ラジカル基が関与する部分以外の部分が大きくなると、分子量が増加するため単位質量当たりの蓄電容量、すなわち容量密度が小さくなる。したがって、安定ラジカル基が関与する部分以外の部分の分子量は小さいのが好ましい。 The molecular weight of the organic compound constituting the positive electrode active material is not particularly limited, but when a portion other than a portion involving a stable radical group such as a 2,2,6,6-tetramethylpiperidine-N-oxyl radical structure becomes large. In addition, since the molecular weight increases, the storage capacity per unit mass, that is, the capacity density decreases. Therefore, it is preferable that the molecular weight of the portion other than the portion involving the stable radical group is small.
(4)ジアミン化合物
ジアミン化合物も、ジチオン化合物やジオン化合物と同様、充放電時(酸化状態及び還元状態)の安定性に優れており、酸化還元反応で二電子以上の多電子反応が可能である。したがって、前記ジアミン化合物を正極活物質に使用し、かつ電解質溶液9に上述した特定の溶媒種を含有した溶媒を使用することにより、正極活物質であるジアミン化合物は、不可逆反応が生じるのが抑制されて電解質溶液9中で安定化することから、多電子反応の充放電を安定的に繰り返すことができ、充放電効率が良好で高容量密度の二次電池を得ることが可能となる。(4) Diamine compound Like the dithione compound and dione compound, the diamine compound is excellent in stability during charge and discharge (oxidized state and reduced state), and can perform a multi-electron reaction of two or more electrons by an oxidation-reduction reaction. . Therefore, by using the diamine compound as the positive electrode active material and using the solvent containing the above-mentioned specific solvent species in the electrolyte solution 9, the diamine compound as the positive electrode active material suppresses the occurrence of an irreversible reaction. Thus, since the electrolyte solution 9 is stabilized, the charge / discharge of the multi-electron reaction can be stably repeated, and a secondary battery having good charge / discharge efficiency and high capacity density can be obtained.
このようなジアミン化合物としては、構成単位中にジアミン構造を有するものであれば特に限定されるものではないが、下記一般式(16)で表される有機化合物を好んで使用することができる。 Such a diamine compound is not particularly limited as long as it has a diamine structure in the structural unit, but an organic compound represented by the following general formula (16) can be preferably used.
ここで、上記一般式(16)中、R25及びR26は、置換若しくは非置換のアルキル基、置換若しくは非置換のアルキレン基、置換若しくは非置換のアリーレン基、置換若しくは非置換のカルボニル基、置換若しくは非置換のアシル基、置換若しくは非置換のアルコキシカルボニル基、置換若しくは非置換のエステル基、置換若しくは非置換のエーテル基、置換若しくは非置換のチオエーテル基、置換若しくは非置換のアミン基、置換若しくは非置換のアミド基、置換若しくは非置換のスルホン基、置換若しくは非置換のチオスルホニル基、置換若しくは非置換のスルホンアミド基、置換若しくは非置換のイミン基、置換若しくは非置換のアゾ基、及びこれらの1以上の組み合わせからなる連結基のいずれかを示す。X1〜X4は、水素原子、ハロゲン原子、ヒドロキシル基、ニトロ基、シアノ基、カルボキシル基、置換若しくは非置換のアルキル基、置換若しくは非置換のアルケニル基、置換若しくは非置換のシクロアルキル基、置換若しくは非置換のアリール基、置換若しくは非置換の芳香族複素環基、置換若しくは非置換のアラルキル基、置換若しくは非置換のアミノ基、置換若しくは非置換のアルコキシ基、置換若しくは非置換のアリールオキシ基、置換若しくは非置換のアルコキシカルボニル基、置換若しくは非置換のアリールオキシカルボニル基、置換若しくは非置換のアシル基、及び置換若しくは非置換のアシルオキシ基のうちの少なくとも一種を示し、これらの置換基は置換基同士で環構造を形成する場合を含んでいる。In the general formula (16), R 25 and R 26 are a substituted or unsubstituted alkyl group, a substituted or unsubstituted alkylene group, a substituted or unsubstituted arylene group, a substituted or unsubstituted carbonyl group, Substituted or unsubstituted acyl group, substituted or unsubstituted alkoxycarbonyl group, substituted or unsubstituted ester group, substituted or unsubstituted ether group, substituted or unsubstituted thioether group, substituted or unsubstituted amine group, substituted Or an unsubstituted amide group, a substituted or unsubstituted sulfone group, a substituted or unsubstituted thiosulfonyl group, a substituted or unsubstituted sulfonamido group, a substituted or unsubstituted imine group, a substituted or unsubstituted azo group, and Any one of these linking groups consisting of one or more combinations is shown. X 1 to X 4 are a hydrogen atom, a halogen atom, a hydroxyl group, a nitro group, a cyano group, a carboxyl group, a substituted or unsubstituted alkyl group, a substituted or unsubstituted alkenyl group, a substituted or unsubstituted cycloalkyl group, Substituted or unsubstituted aryl group, substituted or unsubstituted aromatic heterocyclic group, substituted or unsubstituted aralkyl group, substituted or unsubstituted amino group, substituted or unsubstituted alkoxy group, substituted or unsubstituted aryloxy Represents at least one of a group, a substituted or unsubstituted alkoxycarbonyl group, a substituted or unsubstituted aryloxycarbonyl group, a substituted or unsubstituted acyl group, and a substituted or unsubstituted acyloxy group, and these substituents are This includes the case where a substituent forms a ring structure.
そして、上記一般式(16)の範疇に含まれる有機化合物としては、ピラジン環を挟んでアリール基が結合したフェナジン構造を構成単位中に含む有機化合物がより好ましく、例えば、化学式(16a)〜(16f)に示す有機化合物を好んで使用することができる。 And as an organic compound contained in the category of the said General formula (16), the organic compound which contains the phenazine structure which the aryl group couple | bonded across the pyrazine ring in a structural unit is more preferable, for example, chemical formula (16a)-( The organic compounds shown in 16f) can be preferably used.
下記化学反応式(VI)は、化学式(16b)に示す有機化合物を電極活物質に使用し、Liを電解質塩のカチオンに使用した場合に予想される充放電反応の一例を示している。 The following chemical reaction formula (VI) shows an example of a charge / discharge reaction expected when the organic compound shown in the chemical formula (16b) is used as the electrode active material and Li is used as the cation of the electrolyte salt.
上記ジアミン化合物の分子量は、特に限定されないが、ジアミン構造以外の部分が大きくなると、分子量が増加するため単位質量当たりの蓄電容量、すなわち容量密度が小さくなる。したがって、ジアミン構造以外の部分の分子量は小さいのが好ましい。 The molecular weight of the diamine compound is not particularly limited. However, when the portion other than the diamine structure is increased, the molecular weight increases, so that the storage capacity per unit mass, that is, the capacity density is reduced. Accordingly, the molecular weight of the portion other than the diamine structure is preferably small.
尚、上記一般式(10)〜(13)及び(16)で列挙した各置換基は、それぞれの範疇に属するものであれば限定されるものではないが、分子量が大きくなると正極活物質の単位質量当たりに蓄積できる電荷量が小さくなるので、分子量が250程度となるように所望の置換基を選択するのが好ましい。 The substituents listed in the general formulas (10) to (13) and (16) are not limited as long as they belong to the respective categories, but as the molecular weight increases, the unit of the positive electrode active material Since the amount of charge that can be accumulated per mass is small, it is preferable to select a desired substituent so that the molecular weight is about 250.
そして、正極活物質は、充放電により可逆的に酸化もしくは還元されるため、充電状態、放電状態、あるいはその途中の状態で異なる構造、状態を取るが、本実施の形態では、前記正極活物質は、少なくとも放電反応における反応出発物(電池電極反応で化学反応を起こす物質)、生成物(化学反応の結果生じる物質)、及び中間生成物のうちのいずれかに含まれており、これにより充放電効率が良好で高容量密度の正極活物質を有する二次電池を実現することができる。 Since the positive electrode active material is reversibly oxidized or reduced by charge / discharge, the positive electrode active material takes a different structure and state depending on the charged state, discharged state, or intermediate state. Is contained in at least one of a reaction starting material (a substance that causes a chemical reaction in a battery electrode reaction), a product (a substance resulting from a chemical reaction), and an intermediate product. A secondary battery having a positive electrode active material with good discharge efficiency and high capacity density can be realized.
次に、上記二次電池の製造方法の一例を詳述する。 Next, an example of a method for manufacturing the secondary battery will be described in detail.
まず、正極活物質を電極形状に形成する。すなわち、上述したいずれかの有機化合物を用意する。そして、この有機化合物を導電剤、及び結着剤と共に混合し、溶媒を加えて活物質用スラリーを作製し、該活物質用スラリーを正極集電体上に任意の塗工方法で塗工し、乾燥することにより正極集電体上に正極活物質層を形成し、これにより正極4を作製する。 First, a positive electrode active material is formed into an electrode shape. That is, one of the organic compounds described above is prepared. Then, this organic compound is mixed with a conductive agent and a binder, a solvent is added to produce a slurry for active material, and the slurry for active material is coated on the positive electrode current collector by an arbitrary coating method. The positive electrode active material layer is formed on the positive electrode current collector by drying, whereby the positive electrode 4 is produced.
ここで、導電剤としては、特に限定されるものでなく、例えば、グラファイト、カーボンブラック、アセチレンブラック等の炭素質微粒子、気相成長炭素繊維、カーボンナノチューブ、カーボンナノホーン等の炭素繊維、ポリアニリン、ポリピロール、ポリチオフェン、ポリアセチレン、ポリアセン等の導電性高分子などを使用することができる。また、導電剤を2種類以上混合して用いることもできる。尚、導電剤の正極活物質中の含有率は10〜80重量%が好ましい。 Here, the conductive agent is not particularly limited, and examples thereof include carbonaceous fine particles such as graphite, carbon black, and acetylene black, carbon fibers such as vapor grown carbon fiber, carbon nanotube, and carbon nanohorn, polyaniline, and polypyrrole. , Conductive polymers such as polythiophene, polyacetylene, and polyacene can be used. Further, two or more kinds of conductive agents can be mixed and used. In addition, as for the content rate in the positive electrode active material of a electrically conductive agent, 10 to 80 weight% is preferable.
また、結着剤も特に限定されるものではなく、ポリエチレン、ポリフッ化ビニリデン、ポリヘキサフルオロプロピレン、ポリテトラフルオロエチレン、ポリエチレンオキサイド、カルボキシメチルセルロース等の各種樹脂を使用することができる。 Further, the binder is not particularly limited, and various resins such as polyethylene, polyvinylidene fluoride, polyhexafluoropropylene, polytetrafluoroethylene, polyethylene oxide, carboxymethylcellulose, and the like can be used.
さらに、活物質用スラリーに使用される溶媒についても、特に限定されるものではなく、例えば、ジメチルスルホキシド、ジメチルホルムアミド、N−メチルピロリドン、プロピレンカーボネート、ジエチルカーボネート、ジメチルカーボネート、γ−ブチロラクトン等の塩基性溶媒、アセトニトリル、テトラヒドロフラン、ニトロベンゼン、アセトン等の非水溶媒、メタノール、エタノール等のプロトン性溶媒等を使用することができる。 Further, the solvent used for the slurry for the active material is not particularly limited. For example, bases such as dimethyl sulfoxide, dimethylformamide, N-methylpyrrolidone, propylene carbonate, diethyl carbonate, dimethyl carbonate, and γ-butyrolactone are used. A non-aqueous solvent such as acetonitrile, tetrahydrofuran, nitrobenzene, and acetone, and a protic solvent such as methanol and ethanol can be used.
尚、溶媒の種類、有機化合物と溶媒との配合比、導電剤や結着剤の種類及びその添加量等は、二次電池の要求特性や生産性等を考慮し、任意に設定することができる。 Note that the type of solvent, the compounding ratio of the organic compound and the solvent, the type of conductive agent and binder, and the amount added thereof can be arbitrarily set in consideration of the required characteristics and productivity of the secondary battery. it can.
次いで、電解質溶液9を作製する。すなわち、特定の溶媒種(環状スルホン化合物、環状エーテル化合物及びニトリル系化合物の中から選択された少なくとも一種)を、好ましくは50質量%以上含有した溶媒を用意し、さらに好ましくは一般式(6)〜(9)で表されるアニオンを含有したリチウム塩からなる電解質塩を用意する。そして、この電解質塩を前記溶媒に溶解させて電解質溶液9を作製する。 Next, an electrolyte solution 9 is prepared. That is, a solvent containing a specific solvent type (at least one selected from a cyclic sulfone compound, a cyclic ether compound and a nitrile compound), preferably 50% by mass or more, is prepared, more preferably a general formula (6) An electrolyte salt made of a lithium salt containing an anion represented by (9) is prepared. And this electrolyte salt is dissolved in the said solvent, and the electrolyte solution 9 is produced.
そして、この正極4を電解質溶液9に含浸させて該正極4に前記電解質溶液9を染み込ませ、その後、前記電解質溶液9を含浸させたセパレータ5を正極4上に積層し、さらに負極6及び負極集電体7を順次積層し、次いで、内部空間に電解質溶液9を注入する。そして、負極集電体7上に金属製ばね8を載置すると共に、ガスケット10を周縁に配し、かしめ機等で負極ケース3を正極ケース2に固着して外装封止し、これによりコイン型二次電池が作製される。
Then, the positive electrode 4 is impregnated with the electrolyte solution 9 so that the positive electrode 4 is impregnated with the electrolyte solution 9, and then the separator 5 impregnated with the electrolyte solution 9 is laminated on the positive electrode 4, and further, the
このように本実施の形態によれば、正極活物質の安定化に寄与する特定の溶媒種(環状スルホン化合物、環状エーテル化合物、ニトリル系化合物)を溶媒中に含有した電解質溶液9と、充放電効率が良好で高容量密度を有する上記正極活物質を使用して二次電池を構成しているので、正極活物質が不可逆反応を生じるのを抑制することができ、したがって充放電反応時のイオンの移動が容易となり、円滑かつ安定した充放電反応を繰り返すことができる。すなわち、短時間での充電や高出力での放電が可能となり、これによりエネルギー密度が大きく高出力で、充放電を繰り返しても容量低下の少ないサイクル特性の良好な長寿命の二次電池を得ることが可能となる。 Thus, according to the present embodiment, the electrolyte solution 9 containing a specific solvent species (cyclic sulfone compound, cyclic ether compound, nitrile compound) that contributes to stabilization of the positive electrode active material in the solvent, and charge / discharge Since the secondary battery is configured using the positive electrode active material having good efficiency and high capacity density, the positive electrode active material can be prevented from causing an irreversible reaction, and thus ions during the charge / discharge reaction can be suppressed. Is easy to move, and a smooth and stable charge / discharge reaction can be repeated. In other words, charging in a short time and discharging at high output are possible, thereby obtaining a secondary battery with a long life and good cycle characteristics with a large energy density and high output, with little capacity decrease even after repeated charging and discharging. It becomes possible.
しかも、正極活物質が有機化合物を主体としているため、環境負荷も低く安全性にも配慮したものとなる。 In addition, since the positive electrode active material is mainly composed of an organic compound, the environmental load is low and the safety is taken into consideration.
尚、本発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、要旨を逸脱しない範囲において種々の変形が可能である。例えば、正極活物質の主体となる有機化合物、及び環状スルホン化合物、環状エーテル化合物、ニトリル系化合物、更には電解質塩についても、上記列挙した化合物はその一例であって、これらに限定されるものではない。すなわち、電極活物質が、上述した有機化合物を主体とし、かつ電解質溶液9中に環状スルホン化合物、環状エーテル化合物、或いはニトリル系化合物を含んでいれば、電極活物質は不可逆反応が生じるのを抑制することができ、これにより所望の迅速な酸化還元反応が進行すると考えられるので、エネルギー密度が大きく、安定性に優れた二次電池を得ることが可能である。 In addition, this invention is not limited to the said embodiment, A various deformation | transformation is possible in the range which does not deviate from a summary. For example, the above-listed compounds are only examples of organic compounds that are the main components of the positive electrode active material, and cyclic sulfone compounds, cyclic ether compounds, nitrile compounds, and electrolyte salts. Absent. That is, if the electrode active material is mainly composed of the above-described organic compound and the electrolyte solution 9 contains a cyclic sulfone compound, a cyclic ether compound, or a nitrile compound, the electrode active material suppresses the occurrence of an irreversible reaction. Thus, it is considered that a desired rapid oxidation-reduction reaction proceeds. Therefore, a secondary battery having a large energy density and excellent stability can be obtained.
また、上記実施の形態では、有機化合物を正極活物質に使用したが、負極活物質に使用してもよい。 Moreover, in the said embodiment, although the organic compound was used for the positive electrode active material, you may use it for a negative electrode active material.
また、上記実施の形態では、コイン型二次電池について説明したが、電池形状は特に限定されるものでないのはいうまでもなく、円筒型、角型、シート型等にも適用できる。また、外装方法も特に限定されず、金属ケースや、モールド樹脂、アルミラミネートフィルム等を使用してもよい。 In the above embodiment, the coin-type secondary battery has been described. However, the battery shape is not particularly limited, and can be applied to a cylindrical type, a square type, a sheet type, and the like. Also, the exterior method is not particularly limited, and a metal case, mold resin, aluminum laminate film, or the like may be used.
次に、本発明の実施例を具体的に説明する。 Next, examples of the present invention will be specifically described.
尚、以下に示す実施例は一例であり、本発明は下記の実施例に限定されるものではない。 In addition, the Example shown below is an example and this invention is not limited to the following Example.
〔電池の作製〕
活物質用材料として、化学式(10a)で表されるルベアン酸を用意し、電解質の溶媒として、化学式(1a)で表されるスルホランを用意した。[Production of battery]
As an active material, rubeanic acid represented by chemical formula (10a) was prepared, and as an electrolyte solvent, sulfolane represented by chemical formula (1a) was prepared.
そして、ルベアン酸:300mg、導電剤としてのグラファイト粉末:600mg、結着剤としてのポリテトラフルオロエチレン樹脂:100mgをそれぞれ秤量し、全体が均一になるように混合しながら混練し、混合体を得た。 Then, rubeanic acid: 300 mg, graphite powder as a conductive agent: 600 mg, and polytetrafluoroethylene resin as a binder: 100 mg were weighed and kneaded while mixing so as to obtain a uniform mixture. It was.
次いで、この混合体を加圧成形し、厚さ約150μmのシート状部材を作製した。次に、このシート状部材を、真空中70℃で1時間乾燥した後、直径12mmの円形に打ち抜き、ルベアン酸を主体とする正極活物質を作製した。 Next, this mixture was pressure-molded to produce a sheet-like member having a thickness of about 150 μm. Next, this sheet-like member was dried at 70 ° C. for 1 hour in a vacuum, and then punched into a circle having a diameter of 12 mm to produce a positive electrode active material mainly composed of rubeanic acid.
次いで、モル濃度が1.0mol/LのLiN(C2F5SO2)2(電解質塩)をスルホランに溶解させ、これにより電解質溶液を作製した。Next, LiN (C 2 F 5 SO 2 ) 2 (electrolyte salt) having a molar concentration of 1.0 mol / L was dissolved in sulfolane, thereby preparing an electrolyte solution.
次に、正極活物質を正極集電体上に塗工し、さらに前記電解質溶液を含浸させたポリプロピレン多孔質フィルムからなる厚さ20μmのセパレータを前記正極活物質上に積層し、さらに銅箔からなる負極集電体にリチウムを貼付した負極をセパレータ上に積層し、積層体を形成した。 Next, a positive electrode active material is applied onto a positive electrode current collector, and a 20 μm thick separator made of a polypropylene porous film impregnated with the electrolyte solution is further laminated on the positive electrode active material, and further from a copper foil. A negative electrode obtained by attaching lithium to the negative electrode current collector was laminated on a separator to form a laminate.
そして、この電解質溶液を前記積層体に0.2mL滴下し、含浸させた。 And 0.2 mL of this electrolyte solution was dripped at the said laminated body, and it was made to impregnate.
その後、負極集電体上に金属製ばねを載置すると共に、周縁にガスケットを配置した状態で負極ケースを正極ケースに接合し、かしめ機によって外装封止した。そしてこれにより、正極活物質がルベアン酸を主体とし、負極活物質が金属リチウム、電解質溶液がLiN(C2F5SO2)2を電解質塩とし、スルホランを溶媒とする密閉型のコイン型電池を作製した。Thereafter, a metal spring was placed on the negative electrode current collector, and the negative electrode case was joined to the positive electrode case with a gasket disposed on the periphery, and the outer casing was sealed with a caulking machine. Thus, a sealed coin-type battery in which the positive electrode active material is mainly composed of rubeanic acid, the negative electrode active material is metallic lithium, the electrolyte solution is LiN (C 2 F 5 SO 2 ) 2 and the electrolyte salt is sulfolane. Was made.
〔電池の動作確認〕
以上のようにして作製したコイン型電池を、0.1mAの定電流で電圧が4.0Vになるまで充電し、その後、0.1mAの定電流で1.5Vまで放電した。その結果、充放電電圧が2.4V及び2.0Vの2箇所で電圧平坦部を有する放電時の容量密度が600Ah/kgの二次電池であることが確認された。[Battery operation check]
The coin-type battery produced as described above was charged with a constant current of 0.1 mA until the voltage reached 4.0 V, and then discharged to 1.5 V with a constant current of 0.1 mA. As a result, it was confirmed that the secondary battery had a capacity density of 600 Ah / kg at the time of discharge having a voltage flat portion at two places where the charge / discharge voltages were 2.4 V and 2.0 V.
次いで、4.0〜1.5Vの範囲で充放電を20サイクル繰り返した。その結果、初期の90%以上の放電容量を確保できることが分かった。すなわち、充放電を繰り返しても容量低下の少ない安定性に優れた長サイクル寿命の二次電池を得ることができた。これは正極活物質が電解質溶液中で安定化することから、多電子反応の充放電を安定的に繰り返すことができたものと思われる。 Subsequently, charging / discharging was repeated 20 cycles in the range of 4.0-1.5V. As a result, it was found that an initial discharge capacity of 90% or more can be secured. That is, it was possible to obtain a secondary battery having a long cycle life excellent in stability with little decrease in capacity even after repeated charge and discharge. This is probably because the positive electrode active material was stabilized in the electrolyte solution, and thus the charge and discharge of the multi-electron reaction could be stably repeated.
〔電池の作製〕
電解質溶液の溶媒として化学式(2c)で表される1,3−ジオキソラン、及び化学式(5c)で表されるメトキシプロピオニトリルを用意した。[Production of battery]
As a solvent for the electrolyte solution, 1,3-dioxolane represented by the chemical formula (2c) and methoxypropionitrile represented by the chemical formula (5c) were prepared.
そして、スルホランに代えてこれらの溶媒を使用した以外は、〔実施例1〕と同様の方法・手順に従い、2種類のコイン型電池を作製した。 Then, two types of coin-type batteries were produced according to the same method and procedure as in [Example 1] except that these solvents were used instead of sulfolane.
〔電池の動作確認〕
以上のように作製した電池を、実施例1と同様の条件で充放電を行い、動作確認したところ、この2種類の電池は、いずれも充放電電圧が2.3V、及び2.0Vに電圧平坦部を有する放電時の容量密度が400Ah/kgの二次電池であることが確認された。[Battery operation check]
The batteries produced as described above were charged and discharged under the same conditions as in Example 1, and the operation was confirmed. As a result, the two types of batteries were charged at a charge / discharge voltage of 2.3 V and 2.0 V, respectively. It was confirmed that the secondary battery had a flat capacity and a capacity density at the time of discharge of 400 Ah / kg.
その後、4.0〜1.5 Vの範囲で充放電を20サイクル繰り返した。その結果、2種類の全ての電池において、初期の80%以上の放電容量を確保することができた。すなわち、正極活物質が電解質溶液中で安定化することから、多電子反応の充放電を安定的に繰り返すことができ、充放電を繰り返しても容量低下が少ない長サイクル寿命の二次電池を得ることができた。 Then, charging / discharging was repeated 20 cycles in the range of 4.0-1.5V. As a result, it was possible to secure an initial discharge capacity of 80% or more in all the two types of batteries. That is, since the positive electrode active material is stabilized in the electrolyte solution, the charge / discharge of the multi-electron reaction can be stably repeated, and a secondary battery having a long cycle life with little decrease in capacity even after repeated charge / discharge is obtained. I was able to.
〔有機化合物の合成〕
合成スキーム(A)に従い、ルベアン酸とアジピン酸ジクロリドの縮合物(10d)を合成した。(Synthesis of organic compounds)
According to the synthesis scheme (A), a condensate (10d) of rubeanic acid and adipic acid dichloride was synthesized.
まず、ルベアン酸(10d1):0.01モルを水酸化ナトリウム水溶液(水酸化ナトリウムのモル濃度:0.02モル)に溶解させた。次いで、全体を0℃に冷却した後、激しく撹拌しながらアジピン酸ジクロリド(10d2):0.1モルを含む水溶液を滴下した。そして1時間撹拌し、ルベアン酸(10d1)とアジピン酸ジクロリド(10d2)とを反応させ、洗浄、乾燥し、淡褐色の固体、すなわちルベアン酸とアジピン酸ジクロリドの縮合物(10d)を合成した。First, 0.01 mol of rubeanic acid (10d 1 ) was dissolved in an aqueous sodium hydroxide solution (molar concentration of sodium hydroxide: 0.02 mol). Next, after the whole was cooled to 0 ° C., an aqueous solution containing 0.1 mol of adipic acid dichloride (10d 2 ): 0.1 mol was added dropwise with vigorous stirring. Then, the mixture is stirred for 1 hour to react rubeanic acid (10d 1 ) and adipic acid dichloride (10d 2 ), washed and dried to synthesize a light brown solid, that is, a condensate (10d) of rubeanic acid and adipic acid dichloride. did.
〔電池の作製〕
正極活物質に上記縮合物(10d)を使用した以外は、〔実施例1〕と同様の方法・手順で、実施例3のコイン型電池を作製した。[Production of battery]
A coin-type battery of Example 3 was produced in the same manner and procedure as in [Example 1] except that the condensate (10d) was used as the positive electrode active material.
〔電池の動作確認〕
以上のように作製した電池を、実施例1と同様の条件で充放電を行い、動作確認したところ、充放電電圧が2.4V及び2.0Vの2箇所で電圧平坦部を有する放電時の容量密度が400Ah/kgの二次電池であることが確認された。[Battery operation check]
The battery produced as described above was charged and discharged under the same conditions as in Example 1, and the operation was confirmed. At the time of discharge having voltage flat portions at two places where the charge / discharge voltage was 2.4 V and 2.0 V. It was confirmed that the secondary battery had a capacity density of 400 Ah / kg.
その後、4.0〜2.0Vの範囲で充放電を20サイクル繰り返したところ、20サイクル後においても初期の80%以上の放電容量を確保することができた。すなわち、正極活物質が電解質溶液中で安定化することから、多電子反応の充放電を安定的に繰り返すことができ、充放電を繰り返しても容量低下の少ない安定性に優れた二次電池を得ることができた。 Thereafter, when charging and discharging were repeated 20 cycles in the range of 4.0 to 2.0 V, the initial discharge capacity of 80% or more could be secured even after 20 cycles. That is, since the positive electrode active material is stabilized in the electrolyte solution, it is possible to stably charge and discharge the multi-electron reaction, and to provide a secondary battery excellent in stability with little decrease in capacity even after repeated charging and discharging. I was able to get it.
〔有機化合物の合成〕
合成スキーム(B)に従い、ルベアン酸とテレフタル酸ジクロリドの縮合物(を合成した。ルベアン酸とアジピン酸ジクロリドの縮合物(10e)を合成した。(Synthesis of organic compounds)
According to the synthesis scheme (B), a condensate of rubeanic acid and terephthalic acid dichloride was synthesized. A condensate of rubeanic acid and adipic acid dichloride (10e) was synthesized.
まず、ルベアン酸(10e1):0.01モルを水酸化ナトリウム水溶液(水酸化ナトリウムのモル濃度:0.02モル)に溶解させた。次いで、全体を0℃に冷却した後、激しく撹拌しながらテレフタル酸ジクロリド(10e2):0.1モルを含む水溶液を滴下した。そして1時間撹拌し、ルベアン酸(10e1)とテレフタル酸ジクロリド(10e2)とを反応させ、洗浄、乾燥し、淡褐色の固体、すなわちルベアン酸とテレフタル酸ジクロリドの縮合物(10e)を合成した。First, 0.01 mol of rubeanic acid (10e 1 ) was dissolved in an aqueous sodium hydroxide solution (molar concentration of sodium hydroxide: 0.02 mol). Next, after the whole was cooled to 0 ° C., an aqueous solution containing 0.1 mol of terephthalic acid dichloride (10e 2 ): 0.1 mol was added dropwise with vigorous stirring. The mixture is stirred for 1 hour to react rubeanic acid (10e 1 ) with terephthalic acid dichloride (10e 2 ), washed and dried to synthesize a light brown solid, that is, a condensate of rubeanic acid and terephthalic acid dichloride (10e). did.
〔電池の作製〕
正極活物質に上記縮合物(10e)を使用した以外は、〔実施例1〕と同様の方法・手順で、実施例4のコイン型電池を作製した。[Production of battery]
A coin-type battery of Example 4 was produced in the same manner and procedure as in [Example 1] except that the condensate (10e) was used as the positive electrode active material.
〔電池の動作確認〕
以上のように作製した電池を、実施例1と同様の条件で充放電を行い、動作確認したところ、充放電電圧が2.4V及び2.0Vの2箇所で電圧平坦部を有する放電時の容量密度が200Ah/kgの二次電池であることが確認された。[Battery operation check]
The battery produced as described above was charged and discharged under the same conditions as in Example 1, and the operation was confirmed. At the time of discharge having voltage flat portions at two places where the charge / discharge voltage was 2.4 V and 2.0 V. It was confirmed that the secondary battery had a capacity density of 200 Ah / kg.
その後、4.0〜2.0Vの範囲で充放電を10サイクル繰り返したところ、10サイクル後においても初期の80%以上の放電容量を確保することができた。すなわち、正極活物質が電解質溶液中で安定化することから、多電子反応の充放電を安定的に繰り返すことができ、充放電を繰り返しても容量低下の少ない安定性に優れた二次電池を得ることができた。 Thereafter, when charging and discharging were repeated 10 cycles in the range of 4.0 to 2.0 V, the initial discharge capacity of 80% or more could be secured even after 10 cycles. That is, since the positive electrode active material is stabilized in the electrolyte solution, it is possible to stably charge and discharge the multi-electron reaction, and to provide a secondary battery excellent in stability with little decrease in capacity even after repeated charging and discharging. I was able to get it.
〔電池の作製〕
正極活物質として、化学式(11a)で表されるチオカルバモイルチオ尿素を使用した以外は、〔実施例1〕と同様の方法・手順で、実施例4のコイン型電池を作製した。[Production of battery]
A coin-type battery of Example 4 was produced in the same manner and procedure as in [Example 1] except that thiocarbamoylthiourea represented by the chemical formula (11a) was used as the positive electrode active material.
〔電池の動作確認〕
以上のように作製した電池を、実施例1と同様の条件で充放電を行い、動作確認したところ、充放電電圧が2.0〜2.8Vに電圧平坦部を有する放電容量が200Ah/kgの二次電池であることが確認された。[Battery operation check]
The battery produced as described above was charged and discharged under the same conditions as in Example 1, and its operation was confirmed. As a result, the discharge capacity having a voltage flat portion at a charge / discharge voltage of 2.0 to 2.8 V was 200 Ah / kg. The secondary battery was confirmed.
その後、4.0〜2.0Vの範囲で充放電を10サイクル繰り返したところ、10サイクル後においても初期の80%以上の放電容量を確保することができた。すなわち、正極活物質が電解質溶液中で安定化することから、多電子反応の充放電を安定的に繰り返すことができ、充放電を繰り返しても容量低下の少ない安定性に優れた二次電池を得ることができた。 Thereafter, when charging and discharging were repeated 10 cycles in the range of 4.0 to 2.0 V, the initial discharge capacity of 80% or more could be secured even after 10 cycles. That is, since the positive electrode active material is stabilized in the electrolyte solution, it is possible to stably charge and discharge the multi-electron reaction, and to provide a secondary battery excellent in stability with little decrease in capacity even after repeated charging and discharging. I was able to get it.
〔有機化合物の合成〕
合成スキーム(C)に従い、セレノウレアとスクシニルクロリドの縮合物(13d)を合成した。(Synthesis of organic compounds)
According to the synthesis scheme (C), a condensate (13d) of selenourea and succinyl chloride was synthesized.
まず、セレノウレア(13d1):0.62gを50mLの純水に溶解させた。次いで、全体を0℃に冷却した後、激しく撹拌しながらスクシニルクロリド(13d2):0.77gを含む水溶液を滴下した。そして1時間撹拌し、セレノウレア(13d1)とスクシニルクロリド(13d2)とを反応させ、洗浄、乾燥し、淡褐色の固体、すなわちセレノウレアとスクシニルクロリドの縮合物(13d)を合成した。First, 0.62 g of selenourea (13d 1 ) was dissolved in 50 mL of pure water. Subsequently, the whole was cooled to 0 ° C., and then an aqueous solution containing 0.77 g of succinyl chloride (13d 2 ) was added dropwise with vigorous stirring. After stirring for 1 hour, selenourea (13d 1 ) and succinyl chloride (13d 2 ) were reacted, washed and dried to synthesize a light brown solid, that is, a condensate (13d) of selenourea and succinyl chloride.
〔電池の作製〕
正極活物質に上記縮合物(13d)を使用した以外は、〔実施例1〕と同様の方法・手順で、実施例6のコイン型電池を作製した。[Production of battery]
A coin-type battery of Example 6 was produced in the same manner and procedure as in [Example 1] except that the condensate (13d) was used as the positive electrode active material.
〔電池の動作確認〕
以上のようにして作製した電池を、実施例1と同様の条件で充放電を行い、動作確認したところ、充放電電圧が1.5〜3.2Vに電圧平坦部を有する放電時の容量密度が200Ah/kgの二次電池であることが確認された。[Battery operation check]
The battery produced as described above was charged and discharged under the same conditions as in Example 1, and its operation was confirmed. As a result, the capacity density at the time of discharge having a voltage flat portion at a charge / discharge voltage of 1.5 to 3.2 V was obtained. Was confirmed to be a 200 Ah / kg secondary battery.
次いで、4.0〜2.0Vの範囲で充放電を10サイクル繰り返したところ、10サイクル後においても初期の80%以上の放電容量を確保することができた。すなわち、正極活物質が電解質溶液中で安定化することから、多電子反応の充放電を安定的に繰り返すことができ、充放電を繰り返しても容量低下の少ない安定性に優れた二次電池を得ることができた。 Subsequently, when charging and discharging were repeated 10 cycles in the range of 4.0 to 2.0 V, the initial discharge capacity of 80% or more could be secured even after 10 cycles. That is, since the positive electrode active material is stabilized in the electrolyte solution, it is possible to stably charge and discharge the multi-electron reaction, and to provide a secondary battery excellent in stability with little decrease in capacity even after repeated charging and discharging. I was able to get it.
〔電池の作製〕
正極活物質に化学式(15c)で示すポリ(2,2,6,6−テトラメチルピペリジノキシメタクリレート)を使用した以外は、〔実施例1〕と同様の方法でコイン型電池を作製した。[Production of battery]
A coin-type battery was produced in the same manner as in [Example 1] except that poly (2,2,6,6-tetramethylpiperidinoxymethacrylate) represented by chemical formula (15c) was used as the positive electrode active material. .
〔電池の動作確認〕
以上のようにして作製した電池を、実施例1と同様の条件で充放電を行い、動作確認したところ、充放電電圧が3.6Vに電圧平坦部を有する放電時の容量密度が100Ah/kgの二次電池であることが確認された。[Battery operation check]
The battery produced as described above was charged and discharged under the same conditions as in Example 1, and its operation was confirmed. As a result, the capacity density at the time of discharge having a voltage flat portion at a charge / discharge voltage of 3.6 V was 100 Ah / kg. The secondary battery was confirmed.
その後、4.0〜2.0Vの範囲で充放電を100サイクル繰り返したところ、100サイクル後においても初期の90%以上の放電容量を確保することができた。すなわち、正極活物質が電解質溶液で安定化して充放電反応におけるイオンの移動が容易となることから、充放電反応が円滑に進行し、短時間での充電や高出力での放電が可能となり、充放電を繰り返しても容量低下の少ない安定性に優れた長サイクル寿命の二次電池を得ることができた。 Thereafter, when charging and discharging were repeated 100 cycles in the range of 4.0 to 2.0 V, an initial discharge capacity of 90% or more could be secured even after 100 cycles. That is, the positive electrode active material is stabilized with the electrolyte solution, and the movement of ions in the charge / discharge reaction is facilitated, so that the charge / discharge reaction proceeds smoothly, and charging in a short time or discharging at high output becomes possible. A secondary battery having a long cycle life excellent in stability with little decrease in capacity even after repeated charge and discharge could be obtained.
〔有機化合物の合成〕
合成スキーム(D)に従い、ジヒドロフェナジンジカルボニル化合物の重合体(16f)を合成した。(Synthesis of organic compounds)
According to the synthesis scheme (D), a polymer (16f) of a dihydrophenazine dicarbonyl compound was synthesized.
まず、アルゴン気流中、8.2mmolの5,10-ジヒドロフェナジン(16f1)と20mgの4−ジメチルアミノピリジン(DMAP)を20mLの脱水ピリジンに溶解させ、次いで、5mLの脱水テトラヒドロフランと8.2mmolのオキサリルクロリドとの混合溶液を0℃で添加した。その後、室温で1時間撹拌し、さらに60℃の温度で4時間撹拌し、5,10-ジヒドロフェナジン(16f1)とオキサリルクロリド(16f2)とを反応させた。そして、反応終了後、脱水ピリジンを除去し、その後メタノールを添加し、沈殿した黒色粉末をろ過し、これによりジヒドロフェナジンジカルボニル化合物の重合体(16f)を得た。First, in an argon stream, 8.2 mmol of 5,10-dihydrophenazine (16f 1 ) and 20 mg of 4-dimethylaminopyridine (DMAP) were dissolved in 20 mL of dehydrated pyridine, and then 5 mL of dehydrated tetrahydrofuran and 8.2 mmol. Of oxalyl chloride was added at 0 ° C. Then stirred at room temperature for 1 hour, further stirred for 4 hours at a temperature of 60 ° C., to react the 5,10-dihydro-phenazine (16f 1) and oxalyl chloride (16f 2). And after completion | finish of reaction, dehydrated pyridine was removed, methanol was added after that, the black powder which precipitated was filtered, and this obtained the polymer (16f) of the dihydrophenazine dicarbonyl compound.
〔電池の作製〕
正極活物質に上記重合物(16f)を使用した以外は、〔実施例1〕と同様の方法・手順で、実施例8のコイン型電池を作製した。[Production of battery]
A coin-type battery of Example 8 was produced in the same manner and procedure as in [Example 1] except that the polymer (16f) was used as the positive electrode active material.
〔電池の動作確認〕
以上のようにして作製した電池を、実施例1と同様の条件で充放電し、動作確認をしたところ、充放電電圧が2.8V及び2.4Vの2箇所で電圧平坦部を有する放電時の容量密度が200Ah/kgの二次電池であることが確認された。[Battery operation check]
The battery produced as described above was charged and discharged under the same conditions as in Example 1, and the operation was confirmed. At the time of discharging having voltage flat portions at two charging and discharging voltages of 2.8 V and 2.4 V. Was confirmed to be a secondary battery having a capacity density of 200 Ah / kg.
次いで、4.0〜2.0Vの範囲で充放電を100サイクル繰り返したところ、100サイクル後においても初期の90%以上の放電容量を確保することができた。すなわち、正極活物質が電解質溶液中で安定化することから、多電子反応の充放電を安定的に繰り返すことができ、充放電を繰り返しても容量低下の少ない安定性に優れた二次電池を得ることができた。 Subsequently, when charging and discharging were repeated 100 cycles in the range of 4.0 to 2.0 V, the initial discharge capacity of 90% or more could be secured even after 100 cycles. That is, since the positive electrode active material is stabilized in the electrolyte solution, it is possible to stably charge and discharge the multi-electron reaction, and to provide a secondary battery excellent in stability with little decrease in capacity even after repeated charging and discharging. I was able to get it.
エネルギー密度が大きく高出力で、充放電を繰り返しても容量低下の少ないサイクル特性が良好で安定した二次電池を実現する。 A stable secondary battery with high energy density, high output, good cycle characteristics with little decrease in capacity even after repeated charge and discharge is realized.
4 正極
6 負極
9 電解質溶液4
本発明は二次電池に関し、より詳しくは電極活物質及び電解質溶液を含有し、電極活物質の電池電極反応を利用して充放電を繰り返す二次電池に関する。 The present invention relates to a secondary battery, and more particularly to a secondary battery that contains an electrode active material and an electrolyte solution, and that repeats charging and discharging using a battery electrode reaction of the electrode active material.
携帯電話、ノートパソコン、デジタルカメラ等の携帯用電子機器の市場拡大に伴い、これら電子機器のコードレス電源としてエネルギー密度が大きく長寿命の二次電池が待望されている。 With the expansion of the market for portable electronic devices such as mobile phones, notebook computers, and digital cameras, secondary batteries with high energy density and long life are expected as cordless power sources for these electronic devices.
このような要求に応えるべく、リチウムイオン等のアルカリ金属イオンを荷電担体とし、その電荷授受に伴う電気化学反応を利用した二次電池が開発されている。特に、エネルギー密度の比較的大きなリチウムイオン二次電池は、現在では広く普及している。 In order to meet such demands, secondary batteries using an alkali metal ion such as lithium ion as a charge carrier and utilizing an electrochemical reaction associated with charge exchange have been developed. In particular, lithium ion secondary batteries having a relatively large energy density are now widely used.
二次電池の構成要素のうち電極活物質は、充電反応、放電反応という電池電極反応に直接寄与する物質であり、二次電池の中心的役割を有する。すなわち、電池電極反応は、電解質中に配された電極と電気的に接続された電極活物質に対し電圧を印加することにより、電子の授受を伴って生じる反応であり、電池の充放電時に進行する。したがって、上述したように電極活物質は、システム的には、二次電池の中心的役割を有する。 Among the constituent elements of the secondary battery, the electrode active material is a substance that directly contributes to a battery electrode reaction such as a charge reaction and a discharge reaction, and has a central role of the secondary battery. That is, the battery electrode reaction is a reaction that occurs with the transfer of electrons by applying a voltage to an electrode active material that is electrically connected to an electrode disposed in the electrolyte, and proceeds during charging and discharging of the battery. To do. Therefore, as described above, the electrode active material has a central role of the secondary battery in terms of system.
上記リチウムイオン二次電池では、正極活物質としてリチウム含有遷移金属酸化物、負極活物質として炭素材料を使用し、これらの電極活物質に対するリチウムイオンの挿入反応、及び脱離反応を利用して充放電を行っている。 In the above lithium ion secondary battery, a lithium-containing transition metal oxide is used as the positive electrode active material, and a carbon material is used as the negative electrode active material. Discharging.
しかしながら、リチウムイオン二次電池は、正極におけるリチウムイオンの移動が律速となるため、充放電の速度が制限されるという問題があった。すなわち、上述したリチウムイオン二次電池では、正極のリチウム含有遷移金属酸化物中でのリチウムイオンの移動速度が電解質や負極に比べて遅く、このため正極での電池反応速度が律速となって充放電速度が制限され、その結果、高出力化や充電時間の短時間化には限界があった。 However, the lithium ion secondary battery has a problem that the rate of charge and discharge is limited because the movement of lithium ions in the positive electrode is rate-limiting. In other words, in the above-described lithium ion secondary battery, the migration rate of lithium ions in the lithium-containing transition metal oxide of the positive electrode is slower than that of the electrolyte and the negative electrode, so that the battery reaction rate at the positive electrode is rate-limiting and charged. As a result, the discharge rate was limited, and as a result, there was a limit to increasing the output and shortening the charging time.
そこで、このような課題を解決すべく、近年、有機イオウ化合物等の有機化合物を電極活物質に使用した有機二次電池の研究・開発が盛んに行われている。 In order to solve such problems, research and development of organic secondary batteries using organic compounds such as organic sulfur compounds as electrode active materials have been actively conducted in recent years.
例えば、特許文献1には、正極材料である有機イオウ化合物が充電状態でS−S結合を有すると共に、正極の放電時にはS−S結合が開裂し、金属イオンを有する有機イオウ金属塩を形成した新規な金属−イオウ型電池セルが提案されている。
For example, in
この特許文献1では、一般式(1′)で表されるジスルフィド系の有機化合物(以下、「ジスルフィド化合物」という。)を正極活物質に使用している。
In
R−S−S−R … (1′)
ここで、Rは脂肪族有機基又は芳香族有機基を示し、各々は同一又は異なる場合を含んでいる。
R-S-S-R (1 ')
Here, R represents an aliphatic organic group or an aromatic organic group, and each includes the same or different cases.
ジスルフィド化合物は、二電子反応が可能であり、還元状態(放電状態)でS-S結合が開裂し、これにより有機チオレート(R−SH)を形成する。そして、この有機チオレートは酸化状態(充電状態)でS−S結合を形成し、一般式(1′)で示すジスルフィド化合物に復元する。つまり、ジスルフィド化合物は結合エネルギーの小さなS−S結合を形成するため、反応による結合と開裂を利用して可逆的な酸化還元反応が生じ、これにより充放電を行うことができる。 The disulfide compound can undergo a two-electron reaction, and the S—S bond is cleaved in a reduced state (discharge state), thereby forming an organic thiolate (R—SH). This organic thiolate forms an S—S bond in the oxidized state (charged state) and is restored to the disulfide compound represented by the general formula (1 ′). That is, since the disulfide compound forms an S—S bond having a small binding energy, a reversible redox reaction occurs using the bond and cleavage by the reaction, and thus charge and discharge can be performed.
また、特許文献2には、次式(2′):
−(NH−CS−CS−NH)−…(2′)
で示される構造単位を有し、リチウムイオンと結合可能であるルベアン酸又はルベアン酸ポリマーを含む電池用電極が提案されている。
Patent Document 2 discloses the following formula (2 ′):
-(NH-CS-CS-NH) -... (2 ')
A battery electrode containing rubeanic acid or a rubeanic acid polymer that has a structural unit represented by the formula (II) and can be bonded to lithium ions has been proposed.
一般式(2′)で表されるジチオン構造を含有したルベアン酸又はルベアン酸ポリマーは、還元時にリチウムイオンと結合し、酸化時に前記結合したリチウムイオンを放出する。このようなルベアン酸又はルベアン酸ポリマーの可逆的な酸化還元反応を利用することによって充放電を行うことができる。 The rubeanic acid or rubeanic acid polymer containing the dithione structure represented by the general formula (2 ′) binds to lithium ions during reduction, and releases the bound lithium ions during oxidation. Charging / discharging can be performed by utilizing such a reversible oxidation-reduction reaction of rubeanic acid or rubeanic acid polymer.
一方、二次電池の電極活物質は、充放電反応に伴う化学変化によってその体積が大きく変化し、その結果、固体状態の電極活物質が崩壊したり電解質溶液中に溶解し、電極活物質として機能しなくなる場合がある。特に、結晶系を維持した状態で充放電を行うリチウムイオン電池とは異なり、分子自体の酸化還元反応を利用して充放電を行なう有機二次電池では、電極活物質の電解質への溶解が起こりやすいと考えられ、このため斯かる電極活物質の電解質への溶解を抑制することが検討されている。 On the other hand, the volume of the electrode active material of the secondary battery is greatly changed by a chemical change associated with the charge / discharge reaction. As a result, the solid state electrode active material collapses or dissolves in the electrolyte solution, It may stop functioning. In particular, unlike a lithium ion battery that charges and discharges while maintaining a crystalline system, in an organic secondary battery that charges and discharges using a redox reaction of the molecule itself, the electrode active material dissolves in the electrolyte. Therefore, it is considered to suppress dissolution of such an electrode active material in an electrolyte.
そして、例えば、特許文献3には、負極と、電気活性硫黄含有物質を有する固体複合正極と、これらの間に挿入された電解質とを含む電池が提案されている。 For example, Patent Document 3 proposes a battery including a negative electrode, a solid composite positive electrode having an electroactive sulfur-containing substance, and an electrolyte inserted therebetween.
この特許文献3では、電解質の好ましい形態として、1つ以上のイオン性電解質塩と、N−メチルアセトアミド、アセトニトリル、カーボネート、スルホラン、スルホン、N−アルキルピロリドン、ジオキソラン、脂肪族エーテル、環状エーテル、グライムおよびシロキサンから選択される1つ以上の電解質溶媒との混合物が挙げられている。そして、電解質溶媒として1,3−ジオキソラン及びジメトキシエタンを使用して電解質溶液を作製し、正極材料に電気活性硫黄含有物質を含有した電池を作製している。 In this Patent Document 3, as a preferable form of an electrolyte, one or more ionic electrolyte salts, N-methylacetamide, acetonitrile, carbonate, sulfolane, sulfone, N-alkylpyrrolidone, dioxolane, aliphatic ether, cyclic ether, glyme And mixtures with one or more electrolyte solvents selected from siloxanes. Then, an electrolyte solution is prepared using 1,3-dioxolane and dimethoxyethane as an electrolyte solvent, and a battery containing an electroactive sulfur-containing substance as a positive electrode material is manufactured.
しかしながら、特許文献1では、二電子が関与する低分子のジスルフィド化合物を使用しているが、充放電反応に伴って他の分子と結合、開裂を繰り返すため、安定性に欠け、充放電反応を繰り返すと容量が低下してしまうおそれがある。
However,
また、特許文献2では、ジチオン構造を有するルベアン酸又はルベアン酸ポリマーを使用して二電子反応を生じさせているが、ルベアン酸のような低分子量の化合物では電解質溶液への溶解や、溶解した化合物による電極の汚染などが生じ易く、このため繰り返し充放電に対する安定性に欠ける。また、ルベアン酸ポリマーのような高分子化合物を使用した場合は、電解質溶液への溶解や電極汚染は抑制することができるものの、ルベアン酸ポリマー内の分子間相互作用が大きい。このため、イオンの移動が妨げられ、有効に利用できる活物質の割合が少なくなる。 In Patent Document 2, rubeanic acid having a dithione structure or a rubeanic acid polymer is used to cause a two-electron reaction. However, a low molecular weight compound such as rubeanic acid has dissolved or dissolved in an electrolyte solution. Contamination of the electrode with a compound is likely to occur, and therefore, stability against repeated charge and discharge is lacking. In addition, when a polymer compound such as rubeanic acid polymer is used, dissolution in the electrolyte solution and electrode contamination can be suppressed, but the intermolecular interaction in the rubeanic acid polymer is large. For this reason, the movement of ions is hindered, and the proportion of the active material that can be used effectively is reduced.
また、特許文献3は、正極活物質にイオウ系化合物を使用し、オキソラン等を溶媒に使用した電解質溶液を作製し、電池を形成しているが、このような電解質溶液を使用しても安定した良好なサイクル特性を有する二次電池を得るのは困難な状況にある。 Patent Document 3 uses a sulfur-based compound as a positive electrode active material and produces an electrolyte solution using oxolane or the like as a solvent to form a battery. However, even if such an electrolyte solution is used, it is stable. It is difficult to obtain a secondary battery having good cycle characteristics.
すなわち、有機化合物を電極活物質に使用した有機二次電池は、リチウム含有遷移金属酸化物を電極活物質に使用した従来のリチウムイオン二次電池に比べ、反応性に富む一方で、上述したように電極活物質の電解質溶液への溶出が起こり易く、更には充放電に関与する酸化還元反応以外に不可逆反応が生じて電極活物質の失活を招き易く、これが実用化に際しての解決すべき重要な技術課題となっている。 That is, an organic secondary battery using an organic compound as an electrode active material is more reactive than a conventional lithium ion secondary battery using a lithium-containing transition metal oxide as an electrode active material. Elution of the electrode active material into the electrolyte solution easily occurs, and in addition to the oxidation-reduction reaction involved in charge / discharge, an irreversible reaction easily occurs, leading to deactivation of the electrode active material. Technical issues.
しかしながら、上述した従来の技術では、上記技術課題を十分に解決することができず、このため未だ十分に大きなエネルギー密度を有し、高出力でサイクル特性が良好な長寿命の二次電池を実現することができていないのが現状である。 However, the above-described conventional technology cannot sufficiently solve the above technical problem, and thus, a long-life secondary battery having a sufficiently high energy density, high output and good cycle characteristics is realized. The current situation is that we have not been able to.
本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであって、エネルギー密度が大きく高出力で、充放電を繰り返しても容量低下の少ないサイクル特性の良好な二次電池を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of such circumstances, and an object of the present invention is to provide a secondary battery having a high energy density, high output, and good cycle characteristics with little decrease in capacity even after repeated charge and discharge. To do.
本発明者らは、充放電効率が良好で高容量密度の電極活物質を得ることが可能なルベアン酸構造を構成単位中に有する有機化合物を使用して鋭意研究を行なったところ、電解質溶液中の溶媒がスルホラン等の特定の環状スルホン化合物を主体とすることにより、電極活物質と電解質溶液との間で不可逆反応が生じるのを抑制することができ、これによりサイクル特性が良好で長寿命の二次電池を得ることができるという知見を得た。 The inventors of the present invention conducted intensive research using an organic compound having a rubeanic acid structure in a structural unit capable of obtaining a high capacity density electrode active material with good charge / discharge efficiency. The main solvent is a specific cyclic sulfone compound such as sulfolane , so that an irreversible reaction can be suppressed between the electrode active material and the electrolyte solution. The knowledge that a secondary battery can be obtained was obtained.
本発明はこのような知見に基づきなされたものであって、本発明に係る二次電池は、電極活物質と、電解質塩を溶媒に溶解させた電解質溶液とを含有し、前記電極活物質の電池電極反応によって充放電を繰り返す二次電池であって、前記電極活物質が、ルベアン酸構造を構成単位中に有する有機化合物(以下、「ルベアン酸化合物」という。)を主体とし、前記電解質塩がリチウム塩で形成されると共に、前記溶媒が、環状スルホン化合物を主体とし、かつ、前記環状スルホン化合物が、一般式
ここで、上記一般式中、Zは、炭素数が1〜7のアルキレン基を示し、直鎖及び分枝鎖のいずれをも含む。 Here, in the above general formula, Z represents an alkylene group having 1 to 7 carbon atoms, and includes both straight and branched chains.
また、本発明の二次電池は、前記環状スルホン化合物がスルホランであるのが好ましい。In the secondary battery of the present invention, the cyclic sulfone compound is preferably sulfolane.
また、本発明の二次電池は、前記ルベアン酸化合物が、一般式
ここで、式中、nは1以上の整数であり、RHere, in the formula, n is an integer of 1 or more, and R 11 及びRAnd R 22 は、置換若しくは非置換のイミノ基、置換若しくは非置換のアルキレン基、置換若しくは非置換のアリーレン基のいずれかを示している。Represents any one of a substituted or unsubstituted imino group, a substituted or unsubstituted alkylene group, and a substituted or unsubstituted arylene group.
また、本発明の二次電池は、前記電解質塩が、一般式
ここで、上記一般式中、R8〜R12は、フッ素原子及びフルオロアルキル基のうちのいずれか一方を示し、これらR8〜R12は同一の場合を含んでいる。また、R13はフルオロアルキレン基を示し、R14は炭素数が1〜7のフルオロアルキル基を示している。 Here, in said general formula, R < 8 > -R < 12 > shows either one of a fluorine atom and a fluoroalkyl group, and these R < 8 > -R < 12 > includes the same case. R 13 represents a fluoroalkylene group, and R 14 represents a fluoroalkyl group having 1 to 7 carbon atoms.
また、本発明の二次電池は、前記電極活物質が、前記電池電極反応の少なくとも放電反応における反応出発物、生成物及び中間生成物のうちのいずれかに含まれるのが好ましい。 In the secondary battery of the present invention, it is preferable that the electrode active material is included in at least one of a reaction starting material, a product, and an intermediate product in the discharge reaction of the battery electrode reaction.
さらに、本発明の二次電池は、正極及び負極を有し、前記正極が前記電極活物質を主体としているのが好ましい。 Furthermore, the secondary battery of the present invention preferably has a positive electrode and a negative electrode, and the positive electrode is mainly composed of the electrode active material.
本発明の二次電池によれば、電極活物質が、ルベアン酸化合物を主体とし、電解質溶液の電解質塩がリチウム塩で形成されると共に、溶媒が、上述した特定の環状スルホン化合物を主体としているので、電極活物質が不可逆反応を生じるのを抑制することができる。したがって、電極活物質は電池電極反応のみに寄与できるようになり、充放電効率が良好で充放電反応を安定的に繰り返すことができるようになる。すなわち、電極活物質の不要な不可逆反応の発生を抑制することにより、充放電反応時のイオンの移動が容易となり、円滑かつ安定した充放電反応が生じることから、短時間での充電や高出力での放電が可能となり、これによりエネルギー密度が大きく長サイクル寿命を有する二次電池を得ることが可能となる。 According to the secondary battery of the present invention, the electrode active material is mainly composed of a rubeanic acid compound, the electrolyte salt of the electrolyte solution is formed of a lithium salt, and the solvent is mainly composed of the specific cyclic sulfone compound described above . Therefore, it can suppress that an electrode active material produces an irreversible reaction. Accordingly, the electrode active material can contribute only to the battery electrode reaction, the charge / discharge efficiency is good, and the charge / discharge reaction can be stably repeated. That is, by suppressing the occurrence of unnecessary irreversible reactions of the electrode active material, the movement of ions during the charge / discharge reaction is facilitated, and a smooth and stable charge / discharge reaction occurs. This makes it possible to obtain a secondary battery having a large energy density and a long cycle life.
しかも、電極活物質が有機化合物であるルベアン酸化合物を主体としているため、環境負荷も低く安全性にも配慮したものとなる。 In addition, since the electrode active material is mainly a rubeanic acid compound that is an organic compound, the environmental load is low and the safety is taken into consideration.
次に、本発明の実施の形態を詳説する。 Next, an embodiment of the present invention will be described in detail.
図1は、本発明に係る二次電池の一実施の形態としてのコイン型二次電池を示す断面図である。 FIG. 1 is a cross-sectional view showing a coin-type secondary battery as an embodiment of a secondary battery according to the present invention.
電池缶1は、正極ケース2と負極ケース3とを有し、該正極ケース2及び負極ケース3は、いずれも円盤状の薄板形状に形成されている。そして、正極集電体を構成する正極ケース2の底部中央には、正極活物質(電極活物質)をシート状に形成した正極4が配されている。また、正極4上にはポリプロピレン等の多孔質フィルムで形成されたセパレータ5が積層され、さらにセパレータ5には負極6が積層されている。負極6としては、例えば、Cuにリチウムの金属箔を重ね合わせたものや、黒鉛やハードカーボン等のリチウム吸蔵材料を前記金属箔に塗布したものを使用することができる。そして、負極6にはCu等で形成された負極集電体7が積層されると共に、該負極集電体7には金属製ばね8が載置されている。また、電解質溶液9が内部空間に注入されると共に、負極ケース3は金属製ばね8の付勢力に抗して正極ケース2に固着され、ガスケット10を介して封止されている。
The battery can 1 has a positive electrode case 2 and a negative electrode case 3, and both the positive electrode case 2 and the negative electrode case 3 are formed in a disk-like thin plate shape. And the positive electrode 4 which formed the positive electrode active material (electrode active material) in the sheet form is distribute | arranged to the center of the bottom part of the positive electrode case 2 which comprises a positive electrode collector. A separator 5 formed of a porous film such as polypropylene is laminated on the positive electrode 4, and a
そして、上記二次電池では、正極活物質はルベアン酸構造を構成単位中に有する有機化合物、すなわち、ルベアン酸化合物を主体としている。 In the secondary battery, the positive electrode active material is mainly composed of an organic compound having a rubeanic acid structure in a structural unit, that is, a rubeanic acid compound.
また、電解質溶液9は、リチウム塩で形成された電解質塩と該電解質塩を溶解する溶媒とを含有し、かつ、前記溶媒が環状スルホン化合物を主体としている。 The electrolyte solution 9 contains an electrolyte salt formed of a lithium salt and a solvent that dissolves the electrolyte salt, and the solvent is mainly composed of a cyclic sulfone compound.
すなわち、電解質溶液9は、正極4と、該正極4の対向電極である負極6との間に介在されて両電極間の荷電担体の輸送を行なうが、本実施の形態では、リチウム塩で形成された電解質塩を特定の環状スルホン化合物を主体とした溶媒に溶解又は相溶させて使用する。そして、これにより電極活物質の不要な不可逆反応の発生が抑制されることから、充放電反応時のイオンの移動が容易となり、円滑かつ安定した充放電反応を生じさせることが可能となる。そしてその結果、短時間での充電や高出力での放電が可能となり、エネルギー密度が大きく長寿命の電極活物質を有する二次電池を実現することができる。
That is, the electrolyte solution 9 is interposed between the positive electrode 4 and the
すなわち、近年、有機化合物を主体とした電極活物質が注目されているが、その中でもルベアン酸構造を構成単位中に有するルベアン酸化合物は、充放電効率が良好で高容量密度の実現が可能な活物質材料として有望視されている。 That is, in recent years, an electrode active material mainly composed of an organic compound has attracted attention. Among them, a rubeanic acid compound having a rubeanic acid structure in a structural unit has good charge / discharge efficiency and can realize a high capacity density. Promising as an active material.
しかしながら、ルベアン酸化合物では、低分子量の化合物を使用した場合は、電解質溶液9への溶解や、溶解した化合物による電極の汚染などが生じ易く、このため繰り返し充放電に対する安定性に欠ける。一方、高分子化合物を使用した場合は、高分子化合物内の分子間相互作用が大きく、このため、イオンの移動が妨げられ、有効に利用できる活物質の割合が少なくなるおそれがある。 However, in the case of using a rubeanic acid compound, when a low molecular weight compound is used, dissolution in the electrolyte solution 9 and contamination of the electrode by the dissolved compound are likely to occur, and therefore, stability against repeated charge and discharge is lacking. On the other hand, when a polymer compound is used, the intermolecular interaction in the polymer compound is large, which may hinder the movement of ions and reduce the proportion of the active material that can be used effectively.
しかも、上記ルベアン酸化合物は、充放電に関与する酸化還元反応以外に、電解質溶液9中で不可逆反応が生じ易く、電極活物質の失活を招くおそれがある。 Moreover, the rubeanic acid compound is liable to cause an irreversible reaction in the electrolyte solution 9 in addition to the oxidation-reduction reaction involved in charge / discharge, and may cause deactivation of the electrode active material.
しかるに、本発明者らが鋭意研究を行なったところ、環状スルホン化合物を主体とした溶媒を含有した電解質溶液9を使用することにより、上記ルベアン酸化合物を主体とする正極活物質が電解質溶液9中に溶出するのを効果的に抑制でき、その結果、電解質溶液9中で不要な不可逆反応が生じるのを抑制できて安定化し、これにより、充放電反応時のイオンの移動が容易となって充放電反応が円滑に進行し、短時間での充電や高出力での放電を安定的に行うことが可能であることが分った。 However, as a result of intensive studies by the present inventors, the positive electrode active material mainly composed of the rubeanic acid compound is contained in the electrolyte solution 9 by using the electrolyte solution 9 containing a solvent mainly composed of the cyclic sulfone compound. Can be effectively suppressed, and as a result, unnecessary irreversible reactions can be suppressed and stabilized in the electrolyte solution 9, thereby facilitating the movement of ions during the charge / discharge reaction. It has been found that the discharge reaction proceeds smoothly and that charging in a short time and discharging at a high output can be performed stably.
そこで、本実施の形態では、電解質溶液9中に環状スルホン化合物を主体とした溶媒を含有させ、これによりエネルギー密度が大きく、高出力で充放電を繰り返しても容量低下の少ない長サイクル寿命を有する二次電池を得るようにしている。 Therefore, in the present embodiment, the electrolyte solution 9 contains a solvent mainly composed of a cyclic sulfone compound , thereby having a large energy density and a long cycle life with little decrease in capacity even after repeated charge and discharge at high output. I try to get a secondary battery.
ここで、環状スルホン化合物としては、下記一般式(1)で表される化合物が使用される。Here, as the cyclic sulfone compound, a compound represented by the following general formula (1) is used.
環状スルホン化合物であっても、炭素数が8以上になると、長鎖状となって粘度が高くなり、好ましくない。 Even if it is a cyclic sulfone compound, when the number of carbon atoms is 8 or more, it becomes long chain and the viscosity becomes high, which is not preferable.
一般式(1)の範疇に属する環状スルホン化合物としては、下記化学式(1a)に示すスルホラン、下記化学式(1b)に示す3−メチルスルホラン、下記化学式(1c)に示す2,4−ジメチルスルホラン、下記化学式(1d)に示す2,3−ジメチルスルホラン等を挙げることができ、特にこれら環状スルホン化合物の中ではスルホランを好んで使用することができる。 Examples of the cyclic sulfone compound belonging to the category of the general formula (1) include sulfolane represented by the following chemical formula (1a), 3-methylsulfolane represented by the following chemical formula (1b), 2,4-dimethylsulfolane represented by the following chemical formula (1c), Examples include 2,3-dimethylsulfolane represented by the following chemical formula (1d), and among these cyclic sulfone compounds, sulfolane can be preferably used.
そして、ルベアン酸化合物は、充放電時(酸化状態及び還元状態)の安定性に優れており、酸化還元反応で二電子以上の多電子反応が可能である。したがって、前記ルベアン酸化合物を正極活物質に使用し、かつ電解質溶液9に上述した特定の環状スルホン化合物を含有した溶媒を使用することにより、正極活物質であるルベアン酸化合物は、不可逆反応が生じるのが抑制されて電解質溶液9中で安定化することから、多電子反応の充放電を安定的に繰り返すことができ、充放電効率が良好で高容量密度の二次電池を得ることが可能となる。 And a rubeanic acid compound is excellent in stability at the time of charging / discharging (an oxidation state and a reduction state), and a multi-electron reaction of two or more electrons is possible by oxidation-reduction reaction. Therefore, by using the rubeanic acid compound as the positive electrode active material and using the solvent containing the specific cyclic sulfone compound described above in the electrolyte solution 9, the rubeanic acid compound as the positive electrode active material undergoes an irreversible reaction. Is suppressed in the electrolyte solution 9, charging and discharging of the multi-electron reaction can be stably repeated, and a secondary battery having high charge / discharge efficiency and high capacity density can be obtained. Become.
このようなルベアン酸化合物としては、一対のC=S二重結合を含有したルベアン酸構造を構成単位中に基本骨格として有するものであれば特に限定されるものではないが、下記一般式(2)で表される化合物を好んで使用することができる。The rubeanic acid compound is not particularly limited as long as it has a rubeanic acid structure containing a pair of C═S double bonds as a basic skeleton in the structural unit, but the following general formula (2 ) Can be preferably used.
上記一般式(2)の範疇に属するルベアン酸化合物としては、例えば、下記化学式(2a)に示すルベアン酸を挙げることができる。 Examples of the rubeanic acid compound belonging to the category of the general formula (2) include rubeanic acid represented by the following chemical formula (2a) .
尚、電解質溶液9中で溶媒に溶解する電解質塩は、リチウム塩であれば特に限定されるものではなく 例えば一般式(3)〜(6)で表されるアニオンを含有したリチウム塩を使用することができる。 The electrolyte salt dissolved in the solvent in the electrolyte solution 9 is not particularly limited as long as it is a lithium salt. For example, a lithium salt containing an anion represented by the general formulas ( 3 ) to ( 6 ) is used. be able to.
一般式(3)の範疇に属するアニオンとしては、下記化学式(3a)〜(3d)で表されるものを挙げることができる。 Examples of the anion belonging to the category of the general formula ( 3 ) include those represented by the following chemical formulas ( 3a ) to ( 3d ).
(FSO2)2N− …(3a)
(CF3SO2)2N− …(3b)
(C2F5SO2)2N− …(3c)
(CF3SO2)(C2F5SO2)N− …(3d)
一般式(4)の範疇に属するアニオンとしては、下記化学式(4a)〜(4e)で表されるものを挙げることができる。
(FSO 2 ) 2 N − (3a)
(CF 3 SO 2 ) 2 N − (3b)
(C 2 F 5 SO 2 ) 2 N − (3c)
(CF 3 SO 2 ) (C 2 F 5 SO 2 ) N − (3d)
Examples of the anion belonging to the category of the general formula ( 4 ) include those represented by the following chemical formulas ( 4a ) to ( 4e ).
(FSO2)3C− …(4a)
(CF3SO2)3C− …(4b)
(C2F5SO2)3C− …(4c)
(CF3SO2)2(C2F5SO2)C− …(4d)
(C2F5SO2)2(CF3SO2)C− …(4e)
一般式(5)の範疇に属するアニオンとしては、下記化学式(5a)〜(5c)で表されるものを挙げることができる。
(FSO 2 ) 3 C − (4a)
(CF 3 SO 2 ) 3 C − (4b)
(C 2 F 5 SO 2 ) 3 C − (4c)
(CF 3 SO 2 ) 2 (C 2 F 5 SO 2 ) C − (4d)
(C 2 F 5 SO 2 ) 2 (CF 3 SO 2 ) C − (4e)
Examples of the anion belonging to the category of the general formula ( 5 ) include those represented by the following chemical formulas ( 5a ) to ( 5c ).
CF3SO3 − …(6a)
C2F5SO3 − …(6b)
C3F7SO3 − …(6c)
電解質溶液9中の電解質塩の含有量は、特に限定されるものではないが、所期の効果を発揮するためには、10〜80質量%が好ましい。また、電解質塩に含有される上記アニオン種についても、上述した溶媒種と同様、必要に応じ、同一範疇に属する化合物を2種類以上(例えば、(CF3SO2)2N−と(C2F5SO2)2N−との組み合わせ等)含有させたり、或いは異なる範疇に属する化合物を2種類以上(例えば、(C2F5SO2)2N−とCF3SO3 −との組み合わせ等)含有させることも可能である。
CF 3 SO 3 − (6a)
C 2 F 5 SO 3 − (6b)
C 3 F 7 SO 3 − (6c)
The content of the electrolyte salt in the electrolyte solution 9 is not particularly limited, but is preferably 10 to 80% by mass in order to exhibit the desired effect. In addition, with respect to the anion species contained in the electrolyte salt, two or more compounds belonging to the same category (for example, (CF 3 SO 2 ) 2 N − and (C 2 F 5 SO 2) 2 N - combinations) may be contained with, or different categories belonging compound 2 or more (e.g., (C 2 F 5 SO 2) 2 N - and CF 3 SO 3 - and combinations of Etc.) It can also be contained.
尚、上記正極活物質はルベアン酸構造を主体としていれば有機化合物の分子量は、特に限定されないが、ルベアン酸構造以外の部分が大きくなると、分子量が増加するため単位質量当たりの蓄電容量、すなわち容量密度が小さくなる。したがって、ルベアン酸構造以外の部分の分子量は小さいのが好ましい。 If the positive electrode active material has a rubeanic acid structure as a main component, the molecular weight of the organic compound is not particularly limited. However, when the portion other than the rubeanic acid structure is increased, the molecular weight increases, so that the storage capacity per unit mass, that is, the capacity Density decreases. Accordingly, the molecular weight of the portion other than the rubeanic acid structure is preferably small.
そして、正極活物質は、充放電により可逆的に酸化もしくは還元されるため、充電状態、放電状態、あるいはその途中の状態で異なる構造、状態を取るが、本実施の形態では、前記正極活物質は、少なくとも放電反応における反応出発物(電池電極反応で化学反応を起こす物質)、生成物(化学反応の結果生じる物質)、及び中間生成物のうちのいずれかに含まれており、これにより充放電効率が良好で高容量密度の正極活物質を有する二次電池を実現することができる。 Since the positive electrode active material is reversibly oxidized or reduced by charge / discharge, the positive electrode active material takes a different structure and state depending on the charged state, discharged state, or intermediate state. Is contained in at least one of a reaction starting material (a substance that causes a chemical reaction in a battery electrode reaction), a product (a substance resulting from a chemical reaction), and an intermediate product. A secondary battery having a positive electrode active material with good discharge efficiency and high capacity density can be realized.
次に、上記二次電池の製造方法の一例を詳述する。 Next, an example of a method for manufacturing the secondary battery will be described in detail.
まず、正極活物質を電極形状に形成する。すなわち、ルベアン酸化合物を用意する。そして、このルベアン酸化合物を導電剤、及び結着剤と共に混合し、溶媒を加えて活物質用スラリーを作製し、該活物質用スラリーを正極集電体上に任意の塗工方法で塗工し、乾燥することにより正極集電体上に正極活物質層を形成し、これにより正極4を作製する。 First, a positive electrode active material is formed into an electrode shape. That is, a rubeanic acid compound is prepared. Then, this rubeanic acid compound is mixed with a conductive agent and a binder, a solvent is added to prepare a slurry for active material, and the slurry for active material is coated on the positive electrode current collector by an arbitrary coating method. Then, a positive electrode active material layer is formed on the positive electrode current collector by drying, whereby the positive electrode 4 is produced.
ここで、導電剤としては、特に限定されるものでなく、例えば、グラファイト、カーボンブラック、アセチレンブラック等の炭素質微粒子、気相成長炭素繊維、カーボンナノチューブ、カーボンナノホーン等の炭素繊維、ポリアニリン、ポリピロール、ポリチオフェン、ポリアセチレン、ポリアセン等の導電性高分子などを使用することができる。また、導電剤を2種類以上混合して用いることもできる。尚、導電剤の正極活物質中の含有率は10〜80重量%が好ましい。 Here, the conductive agent is not particularly limited, and examples thereof include carbonaceous fine particles such as graphite, carbon black, and acetylene black, carbon fibers such as vapor grown carbon fiber, carbon nanotube, and carbon nanohorn, polyaniline, and polypyrrole. , Conductive polymers such as polythiophene, polyacetylene, and polyacene can be used. Further, two or more kinds of conductive agents can be mixed and used. In addition, as for the content rate in the positive electrode active material of a electrically conductive agent, 10 to 80 weight% is preferable.
また、結着剤も特に限定されるものではなく、ポリエチレン、ポリフッ化ビニリデン、ポリヘキサフルオロプロピレン、ポリテトラフルオロエチレン、ポリエチレンオキサイド、カルボキシメチルセルロース等の各種樹脂を使用することができる。 Further, the binder is not particularly limited, and various resins such as polyethylene, polyvinylidene fluoride, polyhexafluoropropylene, polytetrafluoroethylene, polyethylene oxide, carboxymethylcellulose, and the like can be used.
さらに、活物質用スラリーに使用される溶媒についても、特に限定されるものではなく、例えば、ジメチルスルホキシド、ジメチルホルムアミド、N−メチルピロリドン、プロピレンカーボネート、ジエチルカーボネート、ジメチルカーボネート、γ−ブチロラクトン等の塩基性溶媒、アセトニトリル、テトラヒドロフラン、ニトロベンゼン、アセトン等の非水溶媒、メタノール、エタノール等のプロトン性溶媒等を使用することができる。 Further, the solvent used for the slurry for the active material is not particularly limited. For example, bases such as dimethyl sulfoxide, dimethylformamide, N-methylpyrrolidone, propylene carbonate, diethyl carbonate, dimethyl carbonate, and γ-butyrolactone are used. A non-aqueous solvent such as acetonitrile, tetrahydrofuran, nitrobenzene, and acetone, and a protic solvent such as methanol and ethanol can be used.
尚、溶媒の種類、有機化合物と溶媒との配合比、導電剤や結着剤の種類及びその添加量等は、二次電池の要求特性や生産性等を考慮し、任意に設定することができる。 Note that the type of solvent, the compounding ratio of the organic compound and the solvent, the type of conductive agent and binder, and the amount added thereof can be arbitrarily set in consideration of the required characteristics and productivity of the secondary battery. it can.
次いで、電解質溶液9を作製する。すなわち、化学式(1)に示す特定の環状スルホン化合物を好ましくは50質量%以上含有した溶媒を用意し、さらに好ましくは一般式(3)〜(6)で表されるアニオンを含有したリチウム塩からなる電解質塩を用意する。そして、この電解質塩を前記溶媒に溶解させて電解質溶液9を作製する。 Next, an electrolyte solution 9 is prepared. That is, a solvent containing preferably 50% by mass or more of the specific cyclic sulfone compound represented by the chemical formula (1) is prepared, and more preferably from a lithium salt containing anions represented by the general formulas (3) to (6). Prepare an electrolyte salt. And this electrolyte salt is dissolved in the said solvent, and the electrolyte solution 9 is produced.
そして、この正極4を電解質溶液9に含浸させて該正極4に前記電解質溶液9を染み込ませ、その後、前記電解質溶液9を含浸させたセパレータ5を正極4上に積層し、さらに負極6及び負極集電体7を順次積層し、次いで、内部空間に電解質溶液9を注入する。そして、負極集電体7上に金属製ばね8を載置すると共に、ガスケット10を周縁に配し、かしめ機等で負極ケース3を正極ケース2に固着して外装封止し、これによりコイン型二次電池が作製される。
Then, the positive electrode 4 is impregnated with the electrolyte solution 9 so that the positive electrode 4 is impregnated with the electrolyte solution 9, and then the separator 5 impregnated with the electrolyte solution 9 is laminated on the positive electrode 4, and further, the
このように本実施の形態によれば、正極活物質の安定化に寄与する特定の環状スルホン化合物を溶媒中に含有した電解質溶液9と、充放電効率が良好で高容量密度を有する上記正極活物質を使用して二次電池を構成しているので、正極活物質が不可逆反応を生じるのを抑制することができ、したがって充放電反応時のイオンの移動が容易となり、円滑かつ安定した充放電反応を繰り返すことができる。すなわち、短時間での充電や高出力での放電が可能となり、これによりエネルギー密度が大きく高出力で、充放電を繰り返しても容量低下の少ないサイクル特性の良好な長寿命の二次電池を得ることが可能となる。 Thus, according to the present embodiment, the electrolyte solution 9 containing a specific cyclic sulfone compound that contributes to stabilization of the positive electrode active material in the solvent, and the positive electrode active material having good charge / discharge efficiency and high capacity density. Since the secondary battery is configured using a material, the positive electrode active material can be prevented from causing an irreversible reaction. Therefore, the movement of ions during the charge / discharge reaction is facilitated, and smooth and stable charge / discharge. The reaction can be repeated. In other words, charging in a short time and discharging at high output are possible, thereby obtaining a secondary battery with a long life and good cycle characteristics with a large energy density and high output, with little capacity decrease even after repeated charging and discharging. It becomes possible.
しかも、正極活物質が有機化合物であるルベアン酸化合物を主体としているため、環境負荷も低く安全性にも配慮したものとなる。 In addition, since the positive electrode active material is mainly a rubeanic acid compound that is an organic compound, the environmental load is low and the safety is taken into consideration.
尚、本発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、要旨を逸脱しない範囲において種々の変形が可能である。例えば、電解質塩についても、上記列挙した化合物はその一例であって、これらに限定されるものではない。すなわち、電極活物質が、上述したルベアン酸化合物を主体とし、かつ電解質溶液9中に特定の環状スルホン化合物を含んでいれば、電極活物質は不可逆反応が生じるのを抑制することができ、これにより所望の迅速な酸化還元反応が進行すると考えられるので、エネルギー密度が大きく、安定性に優れた二次電池を得ることが可能である。 In addition, this invention is not limited to the said embodiment, A various deformation | transformation is possible in the range which does not deviate from a summary. For example, for the electrolyte salt, the above-listed compounds are just examples, and are not limited thereto. That is, if the electrode active material is mainly composed of the above-described rubeanic acid compound and contains a specific cyclic sulfone compound in the electrolyte solution 9, the electrode active material can suppress the occurrence of an irreversible reaction. Therefore, it is considered that a desired rapid oxidation-reduction reaction proceeds. Therefore, a secondary battery having a large energy density and excellent stability can be obtained.
また、上記実施の形態では、ルベアン酸化合物を正極活物質に使用したが、負極活物質に使用してもよい。 Moreover, in the said embodiment, although the rubeanic acid compound was used for the positive electrode active material, you may use it for a negative electrode active material.
また、上記実施の形態では、コイン型二次電池について説明したが、電池形状は特に限定されるものでないのはいうまでもなく、円筒型、角型、シート型等にも適用できる。また、外装方法も特に限定されず、金属ケースや、モールド樹脂、アルミラミネートフィルム等を使用してもよい。 In the above embodiment, the coin-type secondary battery has been described. However, the battery shape is not particularly limited, and can be applied to a cylindrical type, a square type, a sheet type, and the like. Also, the exterior method is not particularly limited, and a metal case, mold resin, aluminum laminate film, or the like may be used.
次に、本発明の実施例を具体的に説明する。 Next, examples of the present invention will be specifically described.
尚、以下に示す実施例は一例であり、本発明は下記の実施例に限定されるものではない。 In addition, the Example shown below is an example and this invention is not limited to the following Example.
〔電池の作製〕
活物質用材料として、化学式(2a)で表されるルベアン酸を用意し、電解質の溶媒として、化学式(1a)で表されるスルホランを用意した。
[Production of battery]
Rubeanic acid represented by the chemical formula ( 2a ) was prepared as the active material, and sulfolane represented by the chemical formula (1a) was prepared as the electrolyte solvent.
次いで、この混合体を加圧成形し、厚さ約150μmのシート状部材を作製した。次に、このシート状部材を、真空中70℃で1時間乾燥した後、直径12mmの円形に打ち抜き、ルベアン酸を主体とする正極活物質を作製した。 Next, this mixture was pressure-molded to produce a sheet-like member having a thickness of about 150 μm. Next, this sheet-like member was dried at 70 ° C. for 1 hour in a vacuum, and then punched into a circle having a diameter of 12 mm to produce a positive electrode active material mainly composed of rubeanic acid.
次いで、モル濃度が1.0mol/LのLiN(C2F5SO2)2(電解質塩)をスルホランに溶解させ、これにより電解質溶液を作製した。 Next, LiN (C 2 F 5 SO 2 ) 2 (electrolyte salt) having a molar concentration of 1.0 mol / L was dissolved in sulfolane, thereby preparing an electrolyte solution.
次に、正極活物質を正極集電体上に塗工し、さらに前記電解質溶液を含浸させたポリプロピレン多孔質フィルムからなる厚さ20μmのセパレータを前記正極活物質上に積層し、さらに銅箔からなる負極集電体にリチウムを貼付した負極をセパレータ上に積層し、積層体を形成した。 Next, a positive electrode active material is applied onto a positive electrode current collector, and a 20 μm thick separator made of a polypropylene porous film impregnated with the electrolyte solution is further laminated on the positive electrode active material, and further from a copper foil. A negative electrode obtained by attaching lithium to the negative electrode current collector was laminated on a separator to form a laminate.
そして、この電解質溶液を前記積層体に0.2mL滴下し、含浸させた。 And 0.2 mL of this electrolyte solution was dripped at the said laminated body, and it was made to impregnate.
その後、負極集電体上に金属製ばねを載置すると共に、周縁にガスケットを配置した状態で負極ケースを正極ケースに接合し、かしめ機によって外装封止した。そしてこれにより、正極活物質がルベアン酸を主体とし、負極活物質が金属リチウム、電解質溶液がLiN(C2F5SO2)2を電解質塩とし、スルホランを溶媒とする密閉型のコイン型電池を作製した。 Thereafter, a metal spring was placed on the negative electrode current collector, and the negative electrode case was joined to the positive electrode case with a gasket disposed on the periphery, and the outer casing was sealed with a caulking machine. Thus, a sealed coin-type battery in which the positive electrode active material is mainly composed of rubeanic acid, the negative electrode active material is metallic lithium, the electrolyte solution is LiN (C 2 F 5 SO 2 ) 2 and the electrolyte salt is sulfolane. Was made.
〔電池の動作確認〕
以上のようにして作製したコイン型電池を、0.1mAの定電流で電圧が4.0Vになるまで充電し、その後、0.1mAの定電流で1.5Vまで放電した。その結果、充放電電圧が2.4V及び2.0Vの2箇所で電圧平坦部を有する放電時の容量密度が600Ah/kgの二次電池であることが確認された。
[Battery operation check]
The coin-type battery produced as described above was charged with a constant current of 0.1 mA until the voltage reached 4.0 V, and then discharged to 1.5 V with a constant current of 0.1 mA. As a result, it was confirmed that the secondary battery had a capacity density of 600 Ah / kg at the time of discharge having a voltage flat portion at two places where the charge / discharge voltages were 2.4 V and 2.0 V.
次いで、4.0〜1.5Vの範囲で充放電を20サイクル繰り返した。その結果、初期の90%以上の放電容量を確保できることが分かった。すなわち、充放電を繰り返しても容量低下の少ない安定性に優れた長サイクル寿命の二次電池を得ることができた。これは正極活物質が電解質溶液中で安定化することから、多電子反応の充放電を安定的に繰り返すことができたものと思われる。 Subsequently, charging / discharging was repeated 20 cycles in the range of 4.0-1.5V. As a result, it was found that an initial discharge capacity of 90% or more can be secured. That is, it was possible to obtain a secondary battery having a long cycle life excellent in stability with little decrease in capacity even after repeated charge and discharge. This is probably because the positive electrode active material was stabilized in the electrolyte solution, and thus the charge and discharge of the multi-electron reaction could be stably repeated.
本発明の範囲には含まれないが、良好なサイクル特性を有する事例を参考例として以下に記載する。Although not included in the scope of the present invention, examples having good cycle characteristics are described below as reference examples.
参考例1
〔電池の作製〕
電解質溶液の溶媒として、化学式(7)で表される環状エーテル化合物としての1,3−ジオキソラン、及び化学式(8)で表されるニトリル系化合物としてのメトキシプロピオニトリルを用意した。
Reference example 1
[Production of battery]
As a solvent for the electrolyte solution, 1,3-dioxolane as a cyclic ether compound represented by the chemical formula (7) and methoxypropionitrile as a nitrile compound represented by the chemical formula (8) were prepared.
〔電池の動作確認〕
以上のように作製した電池を、実施例1と同様の条件で充放電を行い、動作確認したところ、この2種類の電池は、いずれも充放電電圧が2.3V、及び2.0Vに電圧平坦部を有する放電時の容量密度が400Ah/kgの二次電池であることが確認された。
[Battery operation check]
The batteries produced as described above were charged and discharged under the same conditions as in Example 1, and the operation was confirmed. As a result, the two types of batteries were charged at a charge / discharge voltage of 2.3 V and 2.0 V, respectively. It was confirmed that the secondary battery had a flat capacity and a capacity density at the time of discharge of 400 Ah / kg.
その後、4.0〜1.5 Vの範囲で充放電を20サイクル繰り返した。その結果、2種類の全ての電池において、初期の80%以上の放電容量を確保することができた。すなわち、正極活物質が電解質溶液中で安定化することから、多電子反応の充放電を安定的に繰り返すことができ、充放電を繰り返しても容量低下が少ない長サイクル寿命の二次電池を得ることができた。 Then, charging / discharging was repeated 20 cycles in the range of 4.0-1.5V. As a result, it was possible to secure an initial discharge capacity of 80% or more in all the two types of batteries. That is, since the positive electrode active material is stabilized in the electrolyte solution, the charge / discharge of the multi-electron reaction can be stably repeated, and a secondary battery having a long cycle life with little decrease in capacity even after repeated charge / discharge is obtained. I was able to.
このように溶媒種に環状エーテル化合物である1,3−ジオキソランやニトリル系化合物であるメトキシプロピオニトリルを使用した場合も、良好なサイクル特性が得られることが分かった。Thus, it was found that even when 1,3-dioxolane, which is a cyclic ether compound, or methoxypropionitrile, which is a nitrile compound, is used as the solvent species, good cycle characteristics can be obtained.
参考例2
〔有機化合物の合成〕
合成スキーム(A)に従い、ルベアン酸とアジピン酸ジクロリドの縮合物を合成した。
Reference example 2
(Synthesis of organic compounds)
According to the synthesis scheme (A), a condensate of rubeanic acid and adipic acid dichloride was synthesized.
〔電池の作製〕
正極活物質に上記縮合物を使用した以外は、〔実施例1〕と同様の方法・手順で、参考例2のコイン型電池を作製した。
[Production of battery]
A coin-type battery of Reference Example 2 was produced by the same method and procedure as in [Example 1] except that the condensate was used as the positive electrode active material.
〔電池の動作確認〕
以上のように作製した電池を、実施例1と同様の条件で充放電を行い、動作確認したところ、充放電電圧が2.4V及び2.0Vの2箇所で電圧平坦部を有する放電時の容量密度が400Ah/kgの二次電池であることが確認された。
[Battery operation check]
The battery produced as described above was charged and discharged under the same conditions as in Example 1, and the operation was confirmed. At the time of discharge having voltage flat portions at two places where the charge / discharge voltage was 2.4 V and 2.0 V. It was confirmed that the secondary battery had a capacity density of 400 Ah / kg.
その後、4.0〜2.0Vの範囲で充放電を20サイクル繰り返したところ、20サイクル後においても初期の80%以上の放電容量を確保することができた。すなわち、正極活物質が電解質溶液中で安定化することから、多電子反応の充放電を安定的に繰り返すことができ、充放電を繰り返しても容量低下の少ない安定性に優れた二次電池を得ることができた。 Thereafter, when charging and discharging were repeated 20 cycles in the range of 4.0 to 2.0 V, the initial discharge capacity of 80% or more could be secured even after 20 cycles. That is, since the positive electrode active material is stabilized in the electrolyte solution, it is possible to stably charge and discharge the multi-electron reaction, and to provide a secondary battery excellent in stability with little decrease in capacity even after repeated charging and discharging. I was able to get it.
参考例3
〔有機化合物の合成〕
合成スキーム(B)に従い、ルベアン酸とテレフタル酸ジクロリドの縮合物を合成した。
Reference example 3
(Synthesis of organic compounds)
According to the synthesis scheme (B), a condensate of rubeanic acid and terephthalic acid dichloride was synthesized.
〔電池の作製〕
正極活物質に上記縮合物を使用した以外は、〔実施例1〕と同様の方法・手順で、参考例3のコイン型電池を作製した。
[Production of battery]
A coin-type battery of Reference Example 3 was produced in the same manner and procedure as in [Example 1] except that the condensate was used as the positive electrode active material.
〔電池の動作確認〕
以上のように作製した電池を、実施例1と同様の条件で充放電を行い、動作確認したところ、充放電電圧が2.4V及び2.0Vの2箇所で電圧平坦部を有する放電時の容量密度が200Ah/kgの二次電池であることが確認された。
[Battery operation check]
The battery produced as described above was charged and discharged under the same conditions as in Example 1, and the operation was confirmed. At the time of discharge having voltage flat portions at two places where the charge / discharge voltage was 2.4 V and 2.0 V. It was confirmed that the secondary battery had a capacity density of 200 Ah / kg.
その後、4.0〜2.0Vの範囲で充放電を10サイクル繰り返したところ、10サイクル後においても初期の80%以上の放電容量を確保することができた。すなわち、正極活物質が電解質溶液中で安定化することから、多電子反応の充放電を安定的に繰り返すことができ、充放電を繰り返しても容量低下の少ない安定性に優れた二次電池を得ることができた。 Thereafter, when charging and discharging were repeated 10 cycles in the range of 4.0 to 2.0 V, the initial discharge capacity of 80% or more could be secured even after 10 cycles. That is, since the positive electrode active material is stabilized in the electrolyte solution, it is possible to stably charge and discharge the multi-electron reaction, and to provide a secondary battery excellent in stability with little decrease in capacity even after repeated charging and discharging. I was able to get it.
参考例4
〔電池の作製〕
正極活物質として、化学式(9)で表されるジチオン構造を有するチオカルバモイルチオ尿素を使用した以外は、〔実施例1〕と同様の方法・手順で、参考例4のコイン型電池を作製した。
Reference example 4
[Production of battery]
A coin-type battery of Reference Example 4 was produced in the same manner and procedure as in [Example 1] except that thiocarbamoylthiourea having a dithione structure represented by the chemical formula (9) was used as the positive electrode active material. .
以上のように作製した電池を、実施例1と同様の条件で充放電を行い、動作確認したところ、充放電電圧が2.0〜2.8Vに電圧平坦部を有する放電容量が200Ah/kgの二次電池であることが確認された。
The battery produced as described above was charged and discharged under the same conditions as in Example 1, and its operation was confirmed. As a result, the discharge capacity having a voltage flat portion at a charge / discharge voltage of 2.0 to 2.8 V was 200 Ah / kg. The secondary battery was confirmed.
その後、4.0〜2.0Vの範囲で充放電を10サイクル繰り返したところ、10サイクル後においても初期の80%以上の放電容量を確保することができた。すなわち、正極活物質が電解質溶液中で安定化することから、多電子反応の充放電を安定的に繰り返すことができ、充放電を繰り返しても容量低下の少ない安定性に優れた二次電池を得ることができた。 Thereafter, when charging and discharging were repeated 10 cycles in the range of 4.0 to 2.0 V, the initial discharge capacity of 80% or more could be secured even after 10 cycles. That is, since the positive electrode active material is stabilized in the electrolyte solution, it is possible to stably charge and discharge the multi-electron reaction, and to provide a secondary battery excellent in stability with little decrease in capacity even after repeated charging and discharging. I was able to get it.
参考例5
〔有機化合物の合成〕
合成スキーム(C)に従い、ジオン構造を有するセレノウレアとスクシニルクロリドの縮合物を合成した。
Reference Example 5
(Synthesis of organic compounds)
According to the synthesis scheme (C), a condensate of selenourea and succinyl chloride having a dione structure was synthesized.
〔電池の作製〕
正極活物質に上記縮合物を使用した以外は、〔実施例1〕と同様の方法・手順で、参考例5のコイン型電池を作製した。
[Production of battery]
A coin-type battery of Reference Example 5 was produced by the same method and procedure as in [Example 1] except that the condensate was used as the positive electrode active material.
〔電池の動作確認〕
以上のようにして作製した電池を、実施例1と同様の条件で充放電を行い、動作確認したところ、充放電電圧が1.5〜3.2Vに電圧平坦部を有する放電時の容量密度が200Ah/kgの二次電池であることが確認された。
[Battery operation check]
The battery produced as described above was charged and discharged under the same conditions as in Example 1, and its operation was confirmed. As a result, the capacity density at the time of discharge having a voltage flat portion at a charge / discharge voltage of 1.5 to 3.2 V was obtained. Was confirmed to be a 200 Ah / kg secondary battery.
次いで、4.0〜2.0Vの範囲で充放電を10サイクル繰り返したところ、10サイクル後においても初期の80%以上の放電容量を確保することができた。すなわち、正極活物質が電解質溶液中で安定化することから、多電子反応の充放電を安定的に繰り返すことができ、充放電を繰り返しても容量低下の少ない安定性に優れた二次電池を得ることができた。 Subsequently, when charging and discharging were repeated 10 cycles in the range of 4.0 to 2.0 V, the initial discharge capacity of 80% or more could be secured even after 10 cycles. That is, since the positive electrode active material is stabilized in the electrolyte solution, it is possible to stably charge and discharge the multi-electron reaction, and to provide a secondary battery excellent in stability with little decrease in capacity even after repeated charging and discharging. I was able to get it.
参考例6
〔電池の作製〕
正極活物質に化学式(10)で表されるニトロキシルラジカル構造を有するポリ(2,2,6,6−テトラメチルピペリジノキシメタクリレート)を使用した以外は、〔実施例1〕と同様の方法で参考例6の型電池を作製した。
Reference Example 6
[Production of battery]
The same as [Example 1] except that poly (2,2,6,6-tetramethylpiperidinoxymethacrylate) having a nitroxyl radical structure represented by the chemical formula (10) was used as the positive electrode active material. The type battery of Reference Example 6 was produced by the method.
以上のようにして作製した電池を、実施例1と同様の条件で充放電を行い、動作確認したところ、充放電電圧が3.6Vに電圧平坦部を有する放電時の容量密度が100Ah/kgの二次電池であることが確認された。
The battery produced as described above was charged and discharged under the same conditions as in Example 1, and its operation was confirmed. As a result, the capacity density at the time of discharge having a voltage flat portion at a charge / discharge voltage of 3.6 V was 100 Ah / kg. The secondary battery was confirmed.
その後、4.0〜2.0Vの範囲で充放電を100サイクル繰り返したところ、100サイクル後においても初期の90%以上の放電容量を確保することができた。すなわち、正極活物質が電解質溶液で安定化して充放電反応におけるイオンの移動が容易となることから、充放電反応が円滑に進行し、短時間での充電や高出力での放電が可能となり、充放電を繰り返しても容量低下の少ない安定性に優れた長サイクル寿命の二次電池を得ることができた。 Thereafter, when charging and discharging were repeated 100 cycles in the range of 4.0 to 2.0 V, an initial discharge capacity of 90% or more could be secured even after 100 cycles. That is, the positive electrode active material is stabilized with the electrolyte solution, and the movement of ions in the charge / discharge reaction is facilitated, so that the charge / discharge reaction proceeds smoothly, and charging in a short time or discharging at high output becomes possible. A secondary battery having a long cycle life excellent in stability with little decrease in capacity even after repeated charge and discharge could be obtained.
参考例7
〔有機化合物の合成〕
合成スキーム(D)に従い、ジアミン構造を有するジヒドロフェナジンジカルボニル化合物の重合体を合成した。
Reference Example 7
(Synthesis of organic compounds)
According to the synthesis scheme (D), a polymer of a dihydrophenazine dicarbonyl compound having a diamine structure was synthesized.
〔電池の作製〕
正極活物質に上記重合物を使用した以外は、〔実施例1〕と同様の方法・手順で、参考例7のコイン型電池を作製した。
[Production of battery]
A coin-type battery of Reference Example 7 was produced in the same manner and procedure as in [Example 1] except that the polymer was used as the positive electrode active material.
〔電池の動作確認〕
以上のようにして作製した電池を、実施例1と同様の条件で充放電し、動作確認をしたところ、充放電電圧が2.8V及び2.4Vの2箇所で電圧平坦部を有する放電時の容量密度が200Ah/kgの二次電池であることが確認された。
[Battery operation check]
The battery produced as described above was charged and discharged under the same conditions as in Example 1, and the operation was confirmed. At the time of discharging having voltage flat portions at two charging and discharging voltages of 2.8 V and 2.4 V. Was confirmed to be a secondary battery having a capacity density of 200 Ah / kg.
次いで、4.0〜2.0Vの範囲で充放電を100サイクル繰り返したところ、100サイクル後においても初期の90%以上の放電容量を確保することができた。すなわち、正極活物質が電解質溶液中で安定化することから、多電子反応の充放電を安定的に繰り返すことができ、充放電を繰り返しても容量低下の少ない安定性に優れた二次電池を得ることができた。 Subsequently, when charging and discharging were repeated 100 cycles in the range of 4.0 to 2.0 V, the initial discharge capacity of 90% or more could be secured even after 100 cycles. That is, since the positive electrode active material is stabilized in the electrolyte solution, it is possible to stably charge and discharge the multi-electron reaction, and to provide a secondary battery excellent in stability with little decrease in capacity even after repeated charging and discharging. I was able to get it.
上述した参考例2〜7から明らかなように、正極活物質として本発明範囲外のジチオン構造、ジオン構造、ニトロラジカル構造、ジアミン構造を構成単位中に有する有機化合物を使用した場合であっても、スルホランを溶媒とした電解質溶液を使用することにより、繰り返し充放電に対し容量低下の少ない二次電池が得られることが分かった。As is clear from Reference Examples 2 to 7 described above, even when an organic compound having a dithione structure, a dione structure, a nitro radical structure, or a diamine structure outside the scope of the present invention as a positive electrode active material is used. It was found that by using an electrolyte solution containing sulfolane as a solvent, a secondary battery with little capacity reduction with respect to repeated charge and discharge can be obtained.
エネルギー密度が大きく高出力で、充放電を繰り返しても容量低下の少ないサイクル特性が良好で安定した二次電池を実現する。 A stable secondary battery with high energy density, high output, good cycle characteristics with little decrease in capacity even after repeated charge and discharge is realized.
4 正極
6 負極
9 電解質溶液
4
Claims (14)
前記電極活物質が、ジチオン構造を有するジチオン化合物、ジオン構造を有するジオン化合物、安定ラジカル基を含有した有機ラジカル化合物、及びジアミン構造を有するジアミン化合物の中から選択された少なくとも一種を構成単位中に有する有機化合物を主体とし、
前記電解質塩がリチウム塩で形成されると共に、前記溶媒が、環状スルホン化合物、環状エーテル化合物、及びニトリル系化合物の中から選択された少なくとも一種を含有していることを特徴とする二次電池。A secondary battery containing an electrode active material and an electrolyte solution in which an electrolyte salt is dissolved in a solvent, and repeating charge and discharge by a battery electrode reaction of the electrode active material,
The electrode active material contains at least one selected from a dithione compound having a dithione structure, a dione compound having a dione structure, an organic radical compound having a stable radical group, and a diamine compound having a diamine structure in a structural unit. Mainly composed of organic compounds
The secondary battery, wherein the electrolyte salt is formed of a lithium salt and the solvent contains at least one selected from a cyclic sulfone compound, a cyclic ether compound, and a nitrile compound.
で表わされることを特徴とする請求項1記載の二次電池。The cyclic sulfone compound has the general formula
The secondary battery according to claim 1, wherein:
で表わされることを特徴とする請求項1記載の二次電池。The cyclic ether compound has the general formula
The secondary battery according to claim 1, wherein:
R4−C≡N、N≡C−R5−C≡N、及び、R6OR7−C≡N
[式中、R4及びR6は、炭素数が1〜4のアルキル基、R5及びR7は、炭素数が1〜7のアルキレン基を示し、これらR4〜R7は、直鎖及び分岐鎖のいずれをも含む。]
のうちのいずれかで表されることを特徴とする請求項1記載の二次電池。The nitrile compound of the general formula R 4 -C≡N, N≡C-R 5 -C≡N, and, R 6 OR 7 -C≡N
[Wherein R 4 and R 6 represent an alkyl group having 1 to 4 carbon atoms, R 5 and R 7 represent an alkylene group having 1 to 7 carbon atoms, and these R 4 to R 7 are linear And both branched chains. ]
The secondary battery according to claim 1, wherein the secondary battery is represented by any one of the above.
のいずれかで表されるアニオンを含有していることを特徴とする請求項1乃至請求項4のいずれかに記載の二次電池。The electrolyte salt has a general formula
5. The secondary battery according to claim 1, comprising an anion represented by any one of claims 1 to 4.
で表わされることを特徴とする請求項1乃至請求項5のいずれかに記載の二次電池。The dithione compound has the general formula
The secondary battery according to claim 1, wherein the secondary battery is represented by:
で表わされることを特徴とする請求項1乃至請求項5のいずれかに記載の二次電池。The dithione compound has the general formula
The secondary battery according to claim 1, wherein the secondary battery is represented by:
で表わされることを特徴とする請求項1乃至請求項5のいずれかに記載の二次電池。The dione compound has the general formula
The secondary battery according to claim 1, wherein the secondary battery is represented by:
で表わされることを特徴とする請求項1乃至請求項5のいずれかに記載の二次電池。The dione compound has the general formula
The secondary battery according to claim 1, wherein the secondary battery is represented by:
で表わされることを特徴とする請求項1乃至請求項5のいずれかに記載の二次電池。The diamine compound has the general formula
The secondary battery according to claim 1, wherein the secondary battery is represented by:
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