JPWO2019188358A1 - Electrolyte for fluoride ion secondary battery, and fluoride ion secondary battery using the electrolyte - Google Patents
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Abstract
温度が低い環境であっても十分に作動可能なフッ化物イオン二次電池を実現できる、フッ化物イオン二次電池用電解質、および当該電解質を用いたフッ化物イオン二次電池を提供する。フルオロハイドロジェネートアニオン([(FH)nF]−)、またはフルオロハイドロジェネートアニオン由来の塩を含む、フッ化物イオン二次電池用電解質とする。Provided are an electrolyte for a fluoride ion secondary battery capable of realizing a fluoride ion secondary battery that can sufficiently operate even in a low temperature environment, and a fluoride ion secondary battery using the electrolyte. An electrolyte for a fluoride ion secondary battery containing a fluorohydrogenate anion ([(FH) nF]-) or a salt derived from the fluorohydrogenate anion.
Description
本発明は、フッ化物イオン二次電池用電解質、および当該電解質を用いたフッ化物イオン二次電池に関する。 The present invention relates to an electrolyte for a fluoride ion secondary battery and a fluoride ion secondary battery using the electrolyte.
フッ化物イオン二次電池は、フッ化物イオン(F−)をキャリアとした二次電池であり、高い理論エネルギーを有することが知られている。そして、その電池特性については、リチウムイオン二次電池を上回る期待がある。The fluoride ion secondary battery is a secondary battery using fluoride ion (F − ) as a carrier, and is known to have high theoretical energy. The battery characteristics are expected to exceed those of lithium-ion secondary batteries.
ここで、フッ化物イオン二次電池の固体電解質としては、PbF2(非特許文献1〜3参照)、PnSnF4(非特許文献4および5参照)、La1−xBaxF3−x(非特許文献6および7参照)等が報告されている。しかしながら、これらの固体電解質を用いたフッ化物イオン二次電池は、そのイオン伝導性の低さから、作動温度が150℃以上という高温となっており、使用環境に制限があった。Here, as the solid electrolyte of the fluoride ion secondary battery, PbF 2 (see Non-Patent
また、室温付近で作動するフッ化物イオン伝導性の電解質の報告も存在している(非特許文献8および9参照)。非特許文献8では、NH4FHF−PEG polymerが、非特許文献9では、MPPF/TMPA−TFSA ionic liquidが報告されている。しかしながら、いずれの電解質も、そのイオン伝導率は必ずしも十分ではなく、新規な電解質の開発が望まれていたThere are also reports of fluoride ion conductive electrolytes that operate near room temperature (see Non-Patent Documents 8 and 9). Non-Patent Document 8 reports NH 4 FHF-PEG polymer, and Non-Patent Document 9 reports MPPF / TMPA-TFSA ionic liquid. However, the ionic conductivity of each electrolyte is not always sufficient, and the development of a new electrolyte has been desired.
本発明は上記の背景技術に鑑みてなされたものであり、その目的は、温度が低い環境であっても十分に作動可能なフッ化物イオン二次電池を実現できる、フッ化物イオン二次電池用電解質、当該電解質を用いたフッ化物イオン二次電池を提供することにある。 The present invention has been made in view of the above background art, and an object of the present invention is for a fluoride ion secondary battery capable of realizing a fluoride ion secondary battery that can operate sufficiently even in a low temperature environment. An object of the present invention is to provide an electrolyte and a fluoride ion secondary battery using the electrolyte.
本発明者らは、フルオロハイドロジェネートアニオン([(FH)nF]−)を含むイオン液体は、高いイオン伝導率を示すことに着目した。そして、フルオロハイドロジェネートアニオン([(FH)nF]−)を、フッ化物イオン二次電池の電解質に利用すれば、高いフッ化物イオン伝導性を有するフッ化物イオン二次電池が得られることを見出し、本発明を完成させるに至った。The present inventors have noted that ionic liquids containing fluorohydrogenate anions ([(FH) n F] − ) exhibit high ionic conductivity. Then, if the fluorohydrogenate anion ([(FH) n F] − ) is used as the electrolyte of the fluoride ion secondary battery, a fluoride ion secondary battery having high fluoride ion conductivity can be obtained. The present invention has been completed.
すなわち本発明は、フルオロハイドロジェネートアニオン、またはフルオロハイドロジェネートアニオン由来の塩を含む、フッ化物イオン二次電池用電解質である。 That is, the present invention is an electrolyte for a fluoride ion secondary battery containing a fluorohydrogenate anion or a salt derived from the fluorohydrogenate anion.
前記フッ化物イオン二次電池用電解質は、イオン液体であってもよい。 The electrolyte for a fluoride ion secondary battery may be an ionic liquid.
前記イオン液体は、カチオンを含んでいてもよい。 The ionic liquid may contain cations.
前記フッ化物イオン二次電池用電解質は、柔粘性イオン結晶であってもよい。 The electrolyte for a fluoride ion secondary battery may be a plastic crystal.
前記柔粘性イオン結晶は、フルオロハイドロジェネートアニオンと、カチオンと、の塩であってもよい。 The plastic crystal is a salt of a fluorohydrogenate anion and a cation.
前記カチオンは、環状カチオンであってもよい。 The cation may be a cyclic cation.
前記環状カチオンは、イミダゾリウム系化合物由来のカチオンであってもよい。 The cyclic cation may be a cation derived from an imidazolium-based compound.
前記イミダゾリウム系化合物由来のカチオンは、1−エチル−3−メチルイミダゾリウムであってもよい。 The cation derived from the imidazolium-based compound may be 1-ethyl-3-methylimidazolium.
前記環状カチオンは、ピロリジニウム系化合物由来のカチオンであってもよい。 The cyclic cation may be a cation derived from a pyrrolidinium compound.
前記ピロリジニウム系化合物由来のカチオンは、ジメチルピロリジニウムまたはN−エチル−N−プロピルピロリジニウムであってもよい。 The cation derived from the pyrrolidinium compound may be dimethylpyrrolidinium or N-ethyl-N-propylpyrrolidinium.
また別の本発明は、上記のフッ化物イオン二次電池用電解質と、正極と、負極と、を備えるフッ化物イオン二次電池である。 Another invention is a fluoride ion secondary battery including the above-mentioned electrolyte for a fluoride ion secondary battery, a positive electrode, and a negative electrode.
本発明のフッ化物イオン二次電池用電解質よれば、フッ化物イオン二次電池におけるフッ化物イオン伝導性を増大させることが可能となる。その結果、充放電容量の温度特性が向上し、温度が低い環境であっても十分に作動可能なフッ化物イオン二次電池を実現することができる。 According to the electrolyte for a fluoride ion secondary battery of the present invention, it is possible to increase the fluoride ion conductivity in the fluoride ion secondary battery. As a result, the temperature characteristics of the charge / discharge capacity are improved, and a fluoride ion secondary battery that can operate sufficiently even in a low temperature environment can be realized.
以下、本発明の実施形態について説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described.
<フッ化物イオン二次電池用電解質>
本発明のフッ化物イオン二次電池用電解質は、フルオロハイドロジェネートアニオン、またはフルオロハイドロジェネートアニオン由来の塩を含む。<Electrolyte for fluoride ion secondary battery>
The electrolyte for a fluoride ion secondary battery of the present invention contains a fluorohydrogenate anion or a salt derived from the fluorohydrogenate anion.
[フルオロハイドロジェネートアニオン([(FH)nF]−)]
本発明のフッ化物イオン二次電池用電解質の構成材料となるフルオロハイドロジェネートアニオンは、[(FH)nF]−の構造式で表される。nは必ずしも整数でなくてもよい。本発明のフッ化物イオン二次電池用電解質を構成するフルオロハイドロジェネートアニオンは、1種単独であっても、2種以上が混在していてもよい。[Fluorohydrogenate anion ([(FH) n F] - )]
The fluorohydrogenate anion which is a constituent material of the electrolyte for a fluoride ion secondary battery of the present invention is represented by the structural formula of [(FH) n F] −. n does not necessarily have to be an integer. The fluorohydrogenate anion constituting the fluoride ion secondary battery electrolyte of the present invention may be used alone or in combination of two or more.
本発明のフッ化物イオン二次電池用電解質を構成するフルオロハイドロジェネートアニオンは、特に限定されるものではないが、以下の化学式(1)〜(3)に示される、nが1〜3の整数である構造を有するものが好ましい。化学式(1)〜(3)に示されるフルオロハイドロジェネートアニオンであれば、HFの解離圧が十分に低いため、安全に取り扱うことが可能となる。 The fluorohydrogenate anion constituting the fluoride ion secondary battery electrolyte of the present invention is not particularly limited, but n is 1 to 3 represented by the following chemical formulas (1) to (3). Those having a structure that is an integer are preferable. The fluorohydrogenate anions represented by the chemical formulas (1) to (3) can be safely handled because the dissociation pressure of HF is sufficiently low.
[カチオン]
本発明のフッ化物イオン二次電池用電解質において、フルオロハイドロジェネートアニオン([(FH)nF]−)と組み合せて用いられるカチオンは、特に限定されるものではなく、所望のフッ化物イオン二次電池の特性を発現するために、適宜選択することが可能である。[Cation]
In the electrolyte for a fluoride ion secondary battery of the present invention, the cation used in combination with the fluorohydrogenate anion ([(FH) n F] − ) is not particularly limited, and the desired fluoride ion secondary is not particularly limited. It can be appropriately selected in order to express the characteristics of the next battery.
本発明のフッ化物イオン二次電池用電解質を構成しうるカチオンの構造は、鎖状構造であっても、環状構造であっても、特に限定されるものではない。鎖状カチオンとしては、例えば、例えば、以下の化学式(4)に示されるカチオンを挙げることができる。 The structure of the cations that can form the electrolyte for the fluoride ion secondary battery of the present invention is not particularly limited whether it is a chain structure or a cyclic structure. Examples of the chain cation include the cation represented by the following chemical formula (4).
上記の化学式(4)において、R1〜R4は、それぞれ独立に、水素、アルキル基、フルオロアルキル基またはアルコキシアルキル基である。R1〜R4がアルキル基、フルオロアルキル基またはアルコキシアルキル基である場合、その炭素数は、例えば10以下であり、6以下であることが好ましく、4以下であることがより好ましく、2以下であることがさらに好ましい。特に、R1〜R4は、水素であるか、炭素数4以下の、なかでも炭素数2以下のアルキル基、フルオロアルキル基またはアルコキシアルキル基であることが好ましい。化学式(4)においては、R1およびR2、あるいはR3およびR4が繋がって、環状構造を形成していてもよい。In the above chemical formula (4), R 1 to R 4 are independently hydrogen, alkyl group, fluoroalkyl group or alkoxyalkyl group, respectively. When R 1 to R 4 are an alkyl group, a fluoroalkyl group or an alkoxyalkyl group, the number of carbon atoms thereof is, for example, 10 or less, preferably 6 or less, more preferably 4 or less, and 2 or less. Is more preferable. In particular, R 1 to R 4 are preferably hydrogen or an alkyl group having 4 or less carbon atoms, particularly an alkyl group having 2 or less carbon atoms, a fluoroalkyl group or an alkoxyalkyl group. In the chemical formula (4), R 1 and R 2 or R 3 and R 4 may be connected to form a cyclic structure.
また別の鎖状カチオンとしては、例えば、例えば、以下の化学式(5)に示されるカチオンを挙げることができる。 As another chain cation, for example, a cation represented by the following chemical formula (5) can be mentioned.
上記の化学式(5)において、R1〜R4は、それぞれ独立に、水素、アルキル基、フルオロアルキル基またはアルコキシアルキル基である。R1〜R4がアルキル基、フルオロアルキル基またはアルコキシアルキル基である場合、その炭素数は、例えば10以下であり、6以下であることが好ましく、4以下であることがより好ましく、2以下であることがさらに好ましい。特に、R1〜R4は、水素であるか、炭素数4以下の、なかでも炭素数2以下のアルキル基、フルオロアルキル基またはアルコキシアルキル基であることが好ましい。化学式(5)においては、R1およびR2、あるいはR3およびR4が繋がって、環状構造を形成していてもよい。In the above chemical formula (5), R 1 to R 4 are independently hydrogen, alkyl group, fluoroalkyl group or alkoxyalkyl group, respectively. When R 1 to R 4 are an alkyl group, a fluoroalkyl group or an alkoxyalkyl group, the number of carbon atoms thereof is, for example, 10 or less, preferably 6 or less, more preferably 4 or less, and 2 or less. Is more preferable. In particular, R 1 to R 4 are preferably hydrogen or an alkyl group having 4 or less carbon atoms, particularly an alkyl group having 2 or less carbon atoms, a fluoroalkyl group or an alkoxyalkyl group. In the chemical formula (5), R 1 and R 2 or R 3 and R 4 may be connected to form a cyclic structure.
化学式(5)で示される鎖状カチオンの中では、テトラエチルアンモニウム(N2222)、または5−アゾニアスピロ[4.4]ノナン(AS[4.4])が好ましい。テトラエチルアンモニウム(N2222)、または5−アゾニアスピロ[4.4]ノナン(AS[4.4])であれば、常温付近でイオン伝導性の高い柔粘性イオン結晶相を形成することが可能となる。 Among the chain cations represented by the chemical formula (5), tetraethylammonium (N2222) or 5-azoniaspiro [4.4] nonane (AS [4.4]) is preferable. Tetraethylammonium (N2222) or 5-azoniaspiro [4.4] nonane (AS [4.4]) makes it possible to form a plastic crystal phase with high ionic conductivity near room temperature.
また別の鎖状カチオンとしては、例えば、例えば、以下の化学式(6)に示されるカチオンを挙げることができる。 As another chain cation, for example, a cation represented by the following chemical formula (6) can be mentioned.
上記の化学式(6)において、R1〜R3は、それぞれ独立に、水素、アルキル基、フルオロアルキル基またはアルコキシアルキル基である。R1〜R3がアルキル基、フルオロアルキル基またはアルコキシアルキル基である場合、その炭素数は、例えば10以下であり、6以下であることが好ましく、4以下であることがより好ましく、2以下であることがさらに好ましい。特に、R1〜R3は、水素であるか、炭素数4以下の、なかでも炭素数2以下のアルキル基、フルオロアルキル基またはアルコキシアルキル基であることが好ましい。なお、各構造における水素の一部または全部は、フッ素で置換されていてもよい。化学式(6)においては、R1およびR2、あるいはR3およびR4が繋がって、環状構造を形成していてもよい。In the above chemical formula (6), R 1 to R 3 are independently hydrogen, alkyl group, fluoroalkyl group or alkoxyalkyl group, respectively. When R 1 to R 3 are an alkyl group, a fluoroalkyl group or an alkoxyalkyl group, the number of carbon atoms thereof is, for example, 10 or less, preferably 6 or less, more preferably 4 or less, and 2 or less. Is more preferable. In particular, R 1 to R 3 are preferably hydrogen or an alkyl group having 4 or less carbon atoms, particularly an alkyl group having 2 or less carbon atoms, a fluoroalkyl group or an alkoxyalkyl group. In addition, a part or all of hydrogen in each structure may be substituted with fluorine. In the chemical formula (6), R 1 and R 2 or R 3 and R 4 may be connected to form a cyclic structure.
化学式(6)で示される鎖状カチオンの中では、テトラエチルホスホニウム(P2222)が好ましい。テトラエチルホスホニウム(P2222)であれば、常温付近でイオン伝導性の高い柔粘性イオン結晶相を形成することが可能となる。 Among the chain cations represented by the chemical formula (6), tetraethylphosphonium (P2222) is preferable. With tetraethylphosphonium (P2222), it is possible to form a plastic crystal phase with high ionic conductivity near room temperature.
また、環状カチオンとしては、例えば、以下の化学式(7)に示されるカチオンを挙げることができる。 Further, as the cyclic cation, for example, a cation represented by the following chemical formula (7) can be mentioned.
上記の化学式(7)において、R1またはR2は、それぞれ独立に、水素、アルキル基、フルオロアルキル基またはアルコキシアルキル基であり、R3は、環状構造を形成するため官能基であり、少なくとも炭素を含む。R1またはR2がアルキル基、フルオロアルキル基またはアルコキシアルキル基である場合、その炭素数は、例えば10以下であり、6以下であることが好ましく、4以下であることがより好ましく、2以下であることがさらに好ましい。特に、R1またはR2は、水素であるか、炭素数4以下の、なかでも炭素数2以下のアルキル基、フルオロアルキル基またはアルコキシアルキル基であることが好ましい。NおよびR3で構成される環状構造は、5員環構造であっても、6員環構造であってもよく、7員環構造であってもよい。また、NおよびR3で構成される環状構造は、芳香族性であっても、非芳香族性であってもよい。さらに、NおよびR3で構成される環状構造は、例えば、ピロリジン構造、ピロール構造、ピペリジン構造、またはピリジン構造であることが好ましい。また、化学式(7)においては、R1およびR2が繋がって、環状構造を形成していてもよい。In the above chemical formula (7), R 1 or R 2 is independently a hydrogen, an alkyl group, a fluoroalkyl group or an alkoxyalkyl group, and R 3 is a functional group for forming a cyclic structure, and at least. Contains carbon. When R 1 or R 2 is an alkyl group, a fluoroalkyl group or an alkoxyalkyl group, the number of carbon atoms thereof is, for example, 10 or less, preferably 6 or less, more preferably 4 or less, and 2 or less. Is more preferable. In particular, R 1 or R 2 is preferably hydrogen or an alkyl group having 4 or less carbon atoms, particularly an alkyl group having 2 or less carbon atoms, a fluoroalkyl group or an alkoxyalkyl group. The annular structure composed of N and R 3 may be a 5-membered ring structure, a 6-membered ring structure, or a 7-membered ring structure. The annular structure composed of N and R 3 may be a aromatic, it may be non-aromatic. Further, the cyclic structure composed of N and R 3 are, for example, pyrrolidine structure, pyrrole structure, is preferably piperidine structure or a pyridine structure,. Further, in the chemical formula (7), R 1 and R 2 may be connected to form a cyclic structure.
本発明のフッ化物イオン二次電池用電解質を構成しうるカチオンは、これらの中でも、環状カチオンであることが好ましい。環状構造を有しているカチオンを用いる場合には、活物質の界面でカチオンが規則正しく配置するため、フッ化物イオンが拡散しやすい構造を形成することができる。その結果、活物質のフッ化反応または脱フッ化反応の少なくとも一方の反応速度を、向上させことができる。 Among these, the cation that can form the electrolyte for the fluoride ion secondary battery of the present invention is preferably a cyclic cation. When a cation having a cyclic structure is used, the cations are regularly arranged at the interface of the active material, so that a structure in which fluoride ions can easily diffuse can be formed. As a result, the reaction rate of at least one of the fluorine reaction and the defluorination reaction of the active material can be improved.
本発明のフッ化物イオン二次電池用電解質を構成しうるカチオンが環状カチオンである場合には、カチオン中心元素(N元素、P元素)を含むヘテロ環状構造であることが好ましい。また、環状構造は、芳香族性であっても、非芳香族性であってもよい。 When the cation that can form the electrolyte for a fluoride ion secondary battery of the present invention is a cyclic cation, it preferably has a heterocyclic structure containing a cation center element (N element, P element). Further, the cyclic structure may be aromatic or non-aromatic.
本発明のフッ化物イオン二次電池用電解質を構成しうるカチオンは、イミダゾリウム系化合物由来のカチオンであることが好ましい。イミダゾリウム系化合物由来のカチオンであれば、常温付近で高いイオン伝導性を有するイオン液体相を形成することが可能となる。 The cation that can form the electrolyte for the fluoride ion secondary battery of the present invention is preferably a cation derived from an imidazolium-based compound. If it is a cation derived from an imidazolium compound, it is possible to form an ionic liquid phase having high ionic conductivity near room temperature.
さらに、イミダゾリウム系化合物由来のカチオンの中では、1−エチル−3−メチルイミダゾリウム(EMIm)であることがより好ましい。1−エチル−3−メチルイミダゾリウム(EMIm)であれば、融点が低く、イオン伝導率が高くなる。 Further, among the cations derived from imidazolium compounds, 1-ethyl-3-methylimidazolium (EMIm) is more preferable. If it is 1-ethyl-3-methylimidazolium (EMIm), the melting point is low and the ionic conductivity is high.
本発明のフッ化物イオン二次電池用電解質を構成しうるカチオンは、ピロリジニウム系化合物由来のカチオンであることが好ましい。ピロリジニウム系化合物由来のカチオンであれば、融点が低く、イオン伝導率が高くなる。 The cation that can constitute the electrolyte for a fluoride ion secondary battery of the present invention is preferably a cation derived from a pyrrolidinium compound. A cation derived from a pyrrolidinium compound has a low melting point and a high ionic conductivity.
さらに、ピロリジニウム系化合物由来のカチオンの中では、ジメチルピロリジニウム(DMPyr)、またはN−エチル−N−プロピルピロリジニウム(EMPyr)であることがより好ましい。ジメチルピロリジニウム(DMPyr)、またはN−エチル−N−プロピルピロリジニウム(EMPyr)であれば、融点が低く、イオン伝導率が高くなる。 Further, among the cations derived from the pyrrolidinium compound, dimethylpyrrolidinium (DMPyr) or N-ethyl-N-propylpyrrolidinium (EMPyr) is more preferable. If it is dimethylpyrrolidinium (DMPyr) or N-ethyl-N-propylpyrrolidinium (EMPyr), the melting point is low and the ionic conductivity is high.
[形態]
本発明のフッ化物イオン二次電池用電解質の形態は、特に制限されるものではなく、液体、ゲル、固体のいずれであってもよい。本発明のフッ化物イオン二次電池用電解質の形態は、フルオロハイドロジェネートアニオン([(FH)nF]−)と組み合せて用いられるカチオンの種類や、フルオロハイドロジェネートアニオン([(FH)nF]−)のn数によって変化する。したがって、フッ化物イオン二次電池の電解質として好ましい形態を、適宜選択することができる。[form]
The form of the electrolyte for a fluoride ion secondary battery of the present invention is not particularly limited, and may be any of liquid, gel, and solid. The form of the electrolyte for a fluoride ion secondary battery of the present invention includes the type of cation used in combination with the fluorohydrogenate anion ([(FH) n F] − ) and the fluorohydrogenate anion ([(FH)). n F] − ) varies depending on the number of n. Therefore, a preferable form as the electrolyte of the fluoride ion secondary battery can be appropriately selected.
なお、本発明においては、フッ化物イオン二次電池用電解質の形態は、イオン液体または柔粘性イオン結晶であることが好ましい。 In the present invention, the form of the electrolyte for a fluoride ion secondary battery is preferably an ionic liquid or a plastic crystal.
図1に、本発明のフッ化物イオン二次電池用電解質の一例となる、EMPyr(FH)nFの状態図を示す。nが2.0のEMPyr(FH)2.0Fは、融点が30℃であり、室温(25℃)付近では柔粘性イオン結晶(Ionic Plastic Crystal(IPC))となる。なお、25℃におけるEMPyr(FH)2.0Fの伝導度は、19.0mScm−1である。FIG. 1 shows a state diagram of EMPyr (FH) n F, which is an example of the electrolyte for a fluoride ion secondary battery of the present invention. EMPyr (FH) 2.0 F having n of 2.0 has a melting point of 30 ° C. and becomes plastic crystal crystals (IPC) near room temperature (25 ° C.). The conductivity of EMPyr (FH) 2.0 F at 25 ° C. is 19.0 mScm -1 .
また、図2に、DMPyr(FH)nFの状態図を示す。nが2.0のDMPyr(FH)2.0Fは、融点が52℃であり、室温(25℃)付近では柔粘性イオン結晶(Ionic Plastic Crystal(IPC))となる。なお、25℃におけるDMPyr(FH)2.0Fの伝導度は、10.3mScm−1であり、40℃における伝導度は、14.4mScm−1である。Further, FIG. 2 shows a phase diagram of DMPyr (FH) n F. DMPyr (FH) 2.0 F having n of 2.0 has a melting point of 52 ° C. and becomes plastic crystal crystals (IPC) near room temperature (25 ° C.). The conductivity of DMPyr (FH) 2.0 F at 25 ° C. is 10.3 mScm -1 , and the conductivity at 40 ° C. is 14.4 mScm -1 .
<フッ化物イオン二次電池>
本発明のフッ化物イオン二次電池用電池は、本発明のフッ化物イオン二次電池用電解質と、正極と、負極と、を備える。本発明のフッ化物イオン二次電池用電池は、本発明のフッ化物イオン二次電池用電解質を用いていれば、その他の構成は特に限定されるものではない。<Fluoride ion secondary battery>
The fluoride ion secondary battery battery of the present invention includes the fluoride ion secondary battery electrolyte of the present invention, a positive electrode, and a negative electrode. The battery for a fluoride ion secondary battery of the present invention is not particularly limited in other configurations as long as the electrolyte for a fluoride ion secondary battery of the present invention is used.
本発明においては、フッ化物イオン二次電池用負極の標準電極電位に対して、十分に高い標準電極電位を提供する正極材料を選択し、これらの間に本発明のフッ化物イオン二次電池用電解質を配置することにより、フッ化物イオン二次電池としての特性が高く、また、所望の電池電圧を実現することが可能となる。 In the present invention, a positive electrode material that provides a sufficiently high standard electrode potential with respect to the standard electrode potential of the negative electrode for the fluoride ion secondary battery is selected, and between these, for the fluoride ion secondary battery of the present invention. By arranging the electrolyte, the characteristics as a fluoride ion secondary battery are high, and a desired battery voltage can be realized.
<フッ化物イオン二次電池用電解質の製造方法>
本発明のフッ化物イオン二次電池用電解質は、目的とするカチオンとハロゲン化物イオンからなる塩と、フッ化水素とを反応させることにより得ることができる。その反応方法は、特に限定されるものではないが、例えば、R.Taniki,K.Matsumoto,R.Hagiwara,K.Hachiya,T.Morinaga,T.Sato,J.Phys.Chem.B,117(2013)955.に記載された方法で、製造することができる。<Manufacturing method of electrolyte for fluoride ion secondary battery>
The electrolyte for a fluoride ion secondary battery of the present invention can be obtained by reacting a salt composed of a target cation and a halide ion with hydrogen fluoride. The reaction method is not particularly limited, but for example, R.I. Taniki, K.K. Matsumoto, R.M. Hagiwara, K.K. Hachiya, T.M. Morinaga, T. et al. Sato, J. et al. Phys. Chem. B, 117 (2013) 955. It can be manufactured by the method described in.
次に、本発明の実施例について説明するが、本発明はこれら実施例に限定されるものではない。 Next, examples of the present invention will be described, but the present invention is not limited to these examples.
<実施例1〜4>
[電解質1〜4の製造]
R.Taniki,K.Matsumoto,R.Hagiwara,K.Hachiya,T.Morinaga,T.Sato,J.Phys.Chem.B,117(2013)955.に記載された方法で、電解質1としてEMIm(FH)2.3F、電解質2としてEMPyr(FH)2.3F、電解質3としてEMPyr(FH)2.0F、電解質4としてDMPyr(FH)2.0Fを製造した。<Examples 1 to 4>
[Manufacturing of
R. Taniki, K.K. Matsumoto, R.M. Hagiwara, K.K. Hachiya, T.M. Morinaga, T. et al. Sato, J. et al. Phys. Chem. B, 117 (2013) 955. EMIm as methods,
なお、電解質1のEMIm(FH)2.3Fの融点は−65℃、電解質2のEMPyr(FH)2.3Fの融点は−37℃であり、したがって、25℃における電解質1および電解質2の形態はイオン液体であった。一方で、電解質3のEMPyr(FH)2.0Fの融点は30℃、電解質4のDMPyr(FH)2.0Fの融点は52℃であり、25℃における電解質3および電解質4の形態は、柔粘性イオン結晶であった。Incidentally, the
[フッ化物イオン二次電池の作製]
以下の材料を用いて、以下の方法で、フッ化物イオン二次電池を作製した。[Preparation of Fluoride Ion Rechargeable Battery]
A fluoride ion secondary battery was prepared by the following method using the following materials.
(電解質)
電解質としては、上記で得られたイオン液体である電解質1〜2、および柔粘性イオン結晶である電解質3〜4を用いた。(Electrolytes)
As the electrolyte,
(正極合剤膜)
正極としては、CuF2混合電極を用いた。CuF2粒子(Alfa Aesar製)、電子伝導経路を付与するためのアセチレンブラック(Strem chemicals製)、および粒子同士の接着を保つためのPTFE(Aldrich製)を、それぞれ85:10:5の質量比で秤量し、十分に混合した後に膜状に成形し、正極合剤膜とした。(Positive electrode mixture film)
A CuF 2 mixed electrode was used as the positive electrode. CuF 2 particles (manufactured by Alfa Aesar), acetylene black (manufactured by Strem Chemicals) for imparting an electron conduction path, and PTFE (manufactured by Aldrich) for maintaining adhesion between particles, each having a mass ratio of 85: 10: 5. Weighed in, and after thoroughly mixing, it was formed into a film to form a positive electrode mixture film.
(負極合剤膜)
負極としては、CuF2/Cu混合電極を用いた。正極合剤膜と同様に、CuF2粒子(Alfa Aesar製)、Cu粒子(Aldrich製)、アセチレンブラック(Strem chemicals製)、およびPTFE(Aldrich製)を、それぞれ50:35:10:5の質量比で秤量し、十分に混合した後に膜状に成形し、負極合剤膜とした。(Negative electrode mixture film)
As the negative electrode, a CuF 2 / Cu mixed electrode was used. Similar to the positive electrode mixture film, CuF 2 particles (manufactured by Alfa Aesar), Cu particles (manufactured by Aldrich), acetylene black (manufactured by Strem Chemicals), and PTFE (manufactured by Aldrich) each have a mass ratio of 50:35: 10: 5. Weighed by ratio, mixed well, and then formed into a film to prepare a negative electrode mixture film.
(フッ化物イオン二次電池)
正極合剤膜(2.5mg)、負極合剤膜(12.5mg)をそれぞれ、白金網上に20MPaの圧力で10分間圧着し、イオン伝導経路を付与する目的で、イオン液体である電解質1〜2または柔粘性イオン結晶である電解質3〜4を、合剤膜内部の空隙に含浸させ、正極および負極を得た。また、PTFE膜(Merck製、厚み:65μm)2枚に、イオン液体である電解質1〜2または柔粘性イオン結晶である電解質3〜4を含浸させ、これをセパレーターとして用いた。また、疑似参照極として銅線(ニラコ製、直径1mm)を用いた。銅線はあらかじめテフロン(登録商標)熱収縮チューブで絶縁し、導通を取るために両端のみ露出させた。(Fluoride ion secondary battery)
The positive electrode mixture film (2.5 mg) and the negative electrode mixture film (12.5 mg) are respectively pressure-bonded onto a platinum net at a pressure of 20 MPa for 10 minutes to impart an ionic conduction path, and the
得られた正極、セパレーター、負極を、図3に示す専用の三極式評価セル(イーシーフロンティア製)内に積層し、疑似参照極はその片端がセパレーターにのみ接触するようにセル上部から挿入し、フッ化物イオン二次電池とした。 The obtained positive electrode, separator, and negative electrode are laminated in the dedicated tripolar evaluation cell (manufactured by EC Frontier) shown in FIG. 3, and the pseudo reference electrode is inserted from the upper part of the cell so that one end thereof contacts only the separator. , Fluoride ion secondary battery.
<フッ化物イオン二次電池の評価>
[定電流充放電試験]
ポテンショガルバノスタット装置(北斗電工社、HZ−7000もしくはHZ−Pro)を用いて、以下の測定条件にて、定電流充放電試験を実施した。
(測定条件)
作動温度:25℃
RATE:
実施例1〜3:52.8mA(g−CuF2)−1(=C/10rate)
実施例4 :10.6mA(g−CuF2)−1(=C/50rate)
作動電位領域(銅疑似参照極基準):
実施例1 : −0.40V〜0.60V
実施例2 : −0.35V〜0.65V
実施例3〜4: −0.30V〜0.70V<Evaluation of fluoride ion secondary battery>
[Constant current charge / discharge test]
A constant current charge / discharge test was carried out under the following measurement conditions using a potentiogalvanostat device (Hokuto Denko Co., Ltd., HZ-7000 or HZ-Pro).
(Measurement condition)
Operating temperature: 25 ° C
RATE:
Examples 1-3: 52.8mA (g-CuF 2 ) -1 (= C / 10rate)
Example 4: 10.6mA (g-CuF 2 ) -1 (= C / 50rate)
Working potential region (copper pseudo-reference pole reference):
Example 1: −0.40V to 0.60V
Example 2: −0.35V to 0.65V
Examples 3 to 4: −0.30V to 0.70V
図4に実施例1のEMIm(FH)2.3F、図5に実施例2のEMPyr(FH)2.3F、図6(a)に実施例3のEMPyr(FH)2.0F、図7に実施例4のDMPyr(FH)2.0Fを用いたフッ化物イオン二次電池の充放電曲線を示す。また、図6(b)には、実施例3のEMPyr(FH)2.0Fを用いたフッ化物イオン二次電池について、サイクル数と容量との関係を示す。Figure 4 to Example 1 EMIm (FH) 2.3 F, 5 to Example 2 EMPyr (FH) 2.3 F, EMPyr (FH) 2.0 F of Example 3 in FIGS. 6 (a) , FIG. 7 shows the charge / discharge curves of the fluoride ion secondary battery using DMPyr (FH) 2.0 F of Example 4. Further, FIG. 6B shows the relationship between the number of cycles and the capacity of the fluoride ion secondary battery using EMPyr (FH) 2.0 F of Example 3.
実施例1〜4の全てにおいて、CuF2の可逆反応(CuF2+2e−⇔Cu+2F−)を確認することができた。In all of Examples 1 to 4, a reversible reaction of CuF 2 (CuF 2 + 2e - ⇔Cu + 2F -) could be confirmed.
また、CuF2の理論容量は528mAh(g−CuF2)−1であることから、実施例1の電解質を用いたフッ化物イオン二次電池においては、理論容量の90%に相当する初回容量が得られたことがわかる。Further, since the theoretical capacity of CuF 2 is 528 mAh (g-CuF 2 ) -1 , in the fluoride ion secondary battery using the electrolyte of Example 1, the initial capacity corresponding to 90% of the theoretical capacity is You can see that it was obtained.
実施例3の電解質を用いたフッ化物イオン二次電池においては、25℃、C/10レートにおいて、50サイクルの充放電試験が可能であった。 In the fluoride ion secondary battery using the electrolyte of Example 3, a charge / discharge test of 50 cycles was possible at 25 ° C. and a C / 10 rate.
実施例4の電解質を用いたフッ化物イオン二次電池においては、25℃、C/50レートにおいて、充放電試験が可能であった。 In the fluoride ion secondary battery using the electrolyte of Example 4, a charge / discharge test was possible at 25 ° C. and a C / 50 rate.
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