KR20210014627A - 전극 재료, 전극, 축전 디바이스, 및 슬러리 조성물 - Google Patents

전극 재료, 전극, 축전 디바이스, 및 슬러리 조성물 Download PDF

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Abstract

적어도 1종의 전이금속 이온과, 그 전이금속 이온과 배위 가능한 2개 이상의 관능기(A)를 갖는 동시에 산화 환원성을 갖는 관능기(B)의 공액쌍을 2쌍 이상 갖는 배위자를 함유하는 착물을 포함하는 전극 재료이다. 여기서, 2개 이상의 관능기(A)는 동일해도 되고 상이해도 되며, 2쌍 이상의 관능기(B)의 공액쌍은 동일해도 되고 상이해도 되며, 또한, 관능기(A)의 적어도 일부와 상기 관능기(B)의 적어도 일부가 동일해도 되고 달라도 된다.

Description

전극 재료, 전극, 축전 디바이스, 및 슬러리 조성물
본 발명은, 전극 재료, 전극, 축전 디바이스, 및 슬러리 조성물에 관한 것이다.
전지 및 커패시터와 같은 축전 디바이스는, 폭넓은 용도로 사용되고 있다. 그 때문에, 근년에는 가일층의 고성능화를 목적으로 하여, 전극 등의 축전 디바이스의 구성 부재의 개량이 검토되고 있다.
여기서, 상술한 바와 같은 축전 디바이스의 전극은, 일반적으로, 전극 합재층을 구비하고 있다. 전극 합재층은, 예를 들어, 활물질, 바인더(결착재), 및 필요에 따라 배합될 수 있는 도전재 등을 포함하여 이루어진다. 이에, 종래부터 축전 디바이스의 가일층의 성능 향상을 달성하기 위하여, 활물질의 개량이 시도되고 있다.
그 한편으로, 요즈음 2관능성 이상의 강직한 유기 배위자가 2개 이상의 금속 이온 간을 배위 결합에 의해 가교하여 이루어지고, 사이즈가 제어된 나노 세공이 규칙적으로 반복되는 프레임워크 구조를 갖는 배위성 고분자 착물(錯體)이 주목을 모으고 있다. 이러한 배위성 고분자 착물은, 금속 유기 구조체(MOF: Metal-Organic Framework), 혹은 다공성 배위 고분자(PCP: Porous Coordination Polymer)라고도 불리고 있으며, 광범위한 용도로의 응용이 기대되고 있다.
예를 들어, 특허문헌 1에서는, 옥소카본산(oxocarbonic acid)의 금속 착물로 이루어지는 탄화수소 가스의 분리재가 제안되어 있다. 특허문헌 1의 금속 착물은, 탄화수소 가스의 분리 성능이 우수하다.
일본 공개특허공보 2014-12251호
여기서, 근년 반복 충방전이 가능한 축전 디바이스의 용도가 확대되고 있다. 이러한 축전 디바이스에는, 반복 충방전을 행한 후에도, 초회 방전 용량으로부터의 방전 용량 저하가 적은, 즉, 사이클 특성이 우수한 것이 요구되고 있다.
이에, 본 발명은, 축전 디바이스의 전극 재료로서 사용된 경우에, 사이클 특성이 우수한 축전 디바이스를 제공 가능한, 전극 재료를 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은, 사이클 특성이 우수한 축전 디바이스를 형성할 수 있는 전극 및 이러한 전극의 제조에 사용할 수 있는 슬러리 조성물을 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은, 사이클 특성이 우수한 축전 디바이스를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명자는 상기 목적을 달성하기 위하여 예의 검토를 행하였다. 그리고, 본 발명자는, 적어도 1종의 전이금속 이온과, 특정한 관능기를 특정 수 이상 갖는 배위자를 함유하는 착물을 포함하는 전극 재료가 높은 산화 환원능을 나타낼 수 있는 것을 알아내어, 본 발명을 완성시켰다.
즉, 본 발명은 상기 과제를 유리하게 해결하는 것으로, 본 발명의 전극 재료는, 적어도 1종의 전이금속 이온과, 그 전이금속 이온과 배위 가능한 2개 이상의 관능기(A)를 갖는 동시에 산화 환원성을 갖는 관능기(B)의 공액쌍을 2쌍 이상 갖는 배위자를 함유하는 착물을 포함하는 것을 특징으로 한다. 여기서, 2개 이상의 상기 관능기(A)는 동일해도 되고 상이해도 되며, 2쌍 이상의 상기 관능기(B)의 공액쌍은 동일해도 되고 상이해도 되며, 또한, 상기 관능기(A)의 적어도 일부와 상기 관능기(B)의 적어도 일부가 동일해도 되고 달라도 된다. 적어도 1종의 전이금속 이온과, 특정한 관능기를 갖는 배위자를 함유하는 착물을 포함하는 전극 재료는, 축전 디바이스의 전극 재료로서 사용된 경우에, 사이클 특성이 우수한 축전 디바이스를 제공할 수 있다.
여기서, 본 발명의 전극 재료는, 결정성을 갖는 것이 바람직하다. 전극 재료가 결정성을 갖고 있으면, 전극 재료를 축전 디바이스의 전극 재료로서 사용한 경우에 얻어지는 축전 디바이스의 내열성을 높일 수 있다.
여기서, 전극 재료가 「결정성을 갖는지」의 여부는, 본 명세서의 실시예에 기재된 방법으로 확인할 수 있다.
또한, 본 발명의 전극 재료는, 상기 착물의 단위 구조 중의, 상기 전이금속 이온 1개당의 수화수의 수가 0.50 이하인 것이 바람직하다. 착물의 전이금속 이온 1개당의 수화수의 수가 0.50 이하로 적으면, 얻어지는 축전 디바이스의 사이클 특성을 한층 더 높일 수 있다. 한편, 착물의 단위 구조 중의, 전이금속 이온 1개당의 수화수의 수는, 본 명세서의 실시예에 기재한 바와 같은, 열중량 분석법에 따라 측정할 수 있다.
또한, 본 발명은 상기 과제를 유리하게 해결하는 것으로, 본 발명의 전극은, 활물질로서, 상술한 어느 하나의 전극 재료를 포함하는 것을 특징으로 한다. 상술한 어느 하나의 전극 재료를 포함하는 전극을 사용함으로써, 축전 디바이스의 사이클 특성을 높일 수 있다.
여기서, 본 발명의 전극에 있어서, 상기 전극 중에 함유되는 상기 착물의 단위 구조 중의, 상기 전이금속 이온 1개당의 수화수의 수가 0.50 이하인 것이 바람직하다. 전극에 포함되는 착물의 전이금속 이온 1개당의 수화수의 수가 0.50 이하로 적으면, 이러한 전극을 구비하는 축전 디바이스의 사이클 특성을 한층 더 높일 수 있다.
또한, 본 발명은 상기 과제를 유리하게 해결하는 것으로, 본 발명의 축전 디바이스는, 전해질과, 상술한 어느 하나의 전극을 포함하는 것을 특징으로 한다. 상술한 어느 하나의 전극을 포함하는 축전 디바이스는, 사이클 특성이 우수하다.
여기서, 본 발명의 축전 디바이스는, 상기 전해질이 상기 전극 재료를 불용인 것이 바람직하다. 전해질이 전극 재료를 불용이면, 축전 디바이스의 사이클 특성을 한층 더 높일 수 있다.
또한, 본 발명의 축전 디바이스는, 상기 전극의 대향극을 더 포함하고, 그 대향극이 1종의 금속, 또는 복수종의 금속을 함유하여 이루어지는 합금을 포함하는 것이 바람직하다. 축전 디바이스가 본 발명의 전극 재료를 포함하는 정극과, 금속 또는 합금을 포함하는 대향극을 구비하고 있으면, 높은 방전 용량을 실현할 수 있다.
또한, 본 발명의 축전 디바이스는, 상기 전극이, 셀룰로오스계 중합체 및 폴리에테르계 중합체 중 적어도 일방을 더 포함하는 것이 바람직하다. 축전 디바이스의 전극이 셀룰로오스계 중합체 및 폴리에테르계 중합체 중 적어도 일방을 더 포함하고 있으면, 한층 더 높은 사이클 특성을 실현할 수 있다.
또한, 본 발명은 상기 과제를 유리하게 해결하는 것으로, 본 발명의 슬러리 조성물은, 상술한 어느 하나의 전극 재료와, 셀룰로오스계 중합체 및 폴리에테르계 중합체 중 적어도 일방을 포함하는 것을 특징으로 한다. 상술한 어느 하나의 전극 재료와, 셀룰로오스계 중합체 및 폴리에테르계 중합체 중 적어도 일방을 포함하는 슬러리 조성물에 의하면, 축전 디바이스에 높은 사이클 특성을 발휘시킬 수 있는 전극을 형성할 수 있다.
본 발명에 의하면, 축전 디바이스의 전극 재료로서 사용된 경우에, 사이클 특성이 우수한 축전 디바이스를 제공 가능한 전극 재료를 제공할 수 있다.
또한, 본 발명에 의하면, 사이클 특성이 우수한 축전 디바이스를 형성할 수 있는 전극 및 이러한 전극의 제조에 사용할 수 있는 슬러리 조성물을 제공할 수 있다.
또한, 본 발명에 의하면, 사이클 특성이 우수한 축전 디바이스를 제공할 수 있다.
이하, 본 발명의 실시형태에 대하여 상세하게 설명한다. 여기서, 본 발명의 전극 재료는, 축전 디바이스용 전극의 활물질로서, 호적하게 사용할 수 있다. 그리고, 본 발명의 축전 디바이스는, 본 발명의 전극 재료를 포함하여 이루어지는 전극을 구비하는 것을 특징으로 한다. 이러한 축전 디바이스는, 예를 들어, 프로톤, 하이드라이드 이온, 리튬 이온, 나트륨 이온, 마그네슘 이온, 알루미늄 이온, 아연 이온, 은 이온, 납 이온, 또는 유기 질소 양이온을 캐리어 이온으로 하는 축전 디바이스일 수 있다. 그리고, 축전 디바이스는, 상기 각종 캐리어 이온을 채용한 이차 전지나 커패시터일 수 있다.
(전극 재료)
본 발명의 전극 재료는, 적어도 1종의 전이금속 이온과, 그 전이금속 이온과 배위 가능한 2개 이상의 관능기(A)를 갖는 동시에 산화 환원성을 갖는 관능기(B)의 공액쌍을 2쌍 이상 갖는 배위자를 함유하는 착물을 포함하는 것을 특징으로 한다. 여기서, 2개 이상의 관능기(A)는 동일해도 되고 상이해도 되며, 2쌍 이상의 관능기(B)의 공액쌍은 동일해도 되고 상이해도 되며, 또한, 관능기(A)의 적어도 일부와 관능기(B)의 적어도 일부가 동일해도 되고 달라도 된다.
[전이금속 이온]
본 발명의 전극 재료는, 적어도 1종의 전이금속 이온을 포함한다. 또한, 본 발명의 전극 재료는 1종만의 전이금속 이온을 포함하는 것이 바람직하지만, 복수종의 전이금속 이온을 포함하고 있어도 된다. 여기서, 본 발명의 전극 재료에 포함될 수 있는 전이금속 이온으로는, 예를 들어, Cu, Fe, Ni, Co, Mn, V, Cr, Ti를 들 수 있다. 그 중에서도, Cu(Cu1+, Cu2+), Fe(Fe2+, Fe3+), Mn(Mn+, Mn2+, Mn3+, Mn4+), Ti(Ti+, Ti2+, Ti3+, Ti4+)가 바람직하고, Cu(Cu2+) 및 Fe(Fe2+, Fe3+)가 특히 바람직하다.
[착물]
본 발명의 전극 재료는, 상술한 바와 같은 전이금속 이온과 배위 가능한 2개 이상의 관능기(A)를 갖는 동시에 산화 환원성을 갖는 관능기(B)의 공액쌍을 2쌍 이상 갖는 배위자를 함유하는 착물을 포함한다. 전이금속 이온과 배위 가능한 관능기(A)로는, 예를 들어, 케토기, 티오케토기, 이미노기, 아미노기, 하이드록실기, 카르복실기, 티오카르복실기, 아미드기, 및 티오아미드기를 들 수 있다. 전이금속 이온과 배위 가능한 2개 이상의 관능기(A)는, 동일해도 되고 상이해도 된다.
또한, 산화 환원성을 갖는 관능기(B)로는, 케토기, 티오케토기, 이미노기, 아미노기, 하이드록실기, 카르복실기, 티오카르복실기, 아미드기, 및 티오아미드기 중, 착물 구조 중에 있어서 후술하는 「공액쌍」을 형성함으로써 산화 환원성을 나타낼 수 있는 것을 들 수 있다. 상기 열거한 기는, 착물을 형성하는 배위자 중에서, 「공액쌍」을 형성한 경우에 산화 환원성을 나타낼 수 있다. 여기서, 본 명세서에 있어서, 「공액쌍」이란, 대조로 하는 화합물 중에서, 어느 관능기부터 다른 관능기까지를 포함하는 부분 구조를 상정한 경우에, 이러한 부분 구조에 대하여, 공명 구조식을 정의 가능한 것을 의미한다. 당해 부분 구조에 있어서, 다중 결합에 포함되는 π 전자에 비국소화가 발생할 수 있기 때문에, 축전 디바이스의 전극 재료로서 사용된 경우에, 안정적으로 산화 환원능을 발휘할 수 있다. 한편, 「공액쌍」을 구성하는 2개의 관능기는, 동일해도 되고 상이해도 된다.
그리고, 배위자가 산화 환원성을 갖는 관능기(B)의 공액쌍을 2쌍 이상 가짐으로써, 이러한 배위자를 함유하는 착물을 포함하는 전극 재료를 사용하여 축전 디바이스를 형성한 경우에, 얻어지는 축전 디바이스의 사이클 특성을 높일 수 있다. 또한, 배위자는, 상기 열거에 따른 관능기(B) 중에서도, 적어도 케토기 또는 티오케토기를 포함하는 것이 바람직하다.
여기서, 전이금속 이온과 배위 가능한 관능기(A)와 산화 환원성을 갖는 관능기(B)는, 적어도 일부가 각각 동일해도 되고 상이해도 된다. 바꾸어 말하면, 전이금속 이온과 배위 가능한 관능기(A)가 산화 환원성을 갖는 관능기(B)의 공액쌍의 적어도 일방을 구성하고 있어도 된다.
더욱 바람직하게는, 산화 환원성을 갖는 배위자는 하기 일반식(I)로 나타내어지는 화합물일 수 있다.
[화학식 1]
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[식(I) 중, X는 O 원자 또는 S 원자를 나타내고, R1 및 R2는 각각 독립적으로, 탄소수 1 ~ 3의 알킬기, 탄소수 2 ~ 3의 알케닐기, 또는 N 원자를 나타내고, n은 1 이상 4 이하이고, R1 및 R2는 함께 고리 구조를 형성하고 있어도 된다. R1 및 R2는 각각 독립적으로 1 또는 복수의 치환기 R3을 갖고 있어도 된다.]
여기서, 치환기 R3으로는, 상술한 관능기(B)로서 열거한 각 기를 들 수 있다. 한편, 1 또는 복수의 치환기 R3은 동일해도 되고 상이해도 된다.
산화 환원성을 갖는 배위자로는, 구체적으로는, 로디존산(관능기(B)로서, 케토기 2쌍, 하이드록실기 1쌍), 루비안산(관능기(B)로서, 티오케토기-아미노기의 쌍을 2쌍), 디하이드록시벤조퀴논(관능기(B)로서, 케토기-하이드록실기의 쌍을 2쌍), 및 스쿠아르산(관능기(B)로서, 케토기 1쌍, 하이드록실기 1쌍)을 들 수 있다.
또한, 배위자가 공간적 배치의 중심 또는 대략 중심에 자유 회전 가능한 구조를 포함하지 않는 것이 바람직하다. 배위자가 공간적 배치의 중심 또는 대략 중심에 자유 회전 가능한 구조가 포함되어 있는 경우, 이러한 착물을 사용하여 축전 디바이스를 형성한 경우에, 도전 네트워크가 끊어질 우려가 있다. 이러한 「자유 회전 가능한 구조」의 예로는, 예를 들어, 테레프탈산의 공간적 배치의 중심에 위치하는 페닐렌기를 들 수 있다.
[수화수의 수]
본 발명의 전극 재료는, 착물의 단위 구조 중의 전이금속 이온 1개당의 수화수의 수가 0.56 이하여도 되고, 0.50 이하인 것이 바람직하고, 0.47 이하인 것이 보다 바람직하다. 또한, 착물이 수화수를 포함하지 않아도 된다. 한편, 「수화수」란, 착물 중에 있어서, 전이금속 이온에 대하여 배위 결합 등의 화학적인 상호 작용에 의해 결합한 물을 의미한다. 착물의 단위 구조 중의 전이금속 이온 1개당의 수화수의 수가 상기 상한값 이하이면, 이러한 착물을 포함하는 전극 재료를 축전 디바이스의 전극 활물질로서 사용한 경우에, 착물에서 기인하여, 전해액 중에 전극 재료가 용출되기 쉬워지는 것을 억제할 수 있다. 이에 의해, 축전 디바이스를 반복 충방전 동작시켰을 때에 축전 디바이스 자체의 온도가 반복하여 오르내린 경우라도, 축전 디바이스의 사이클 특성이 저하되는 것을 한층 더 효과적으로 억제할 수 있다.
한편, 종래부터 알려져 있는 일반적인 전이금속 이온을 포함하는 금속 착물은, 단위 구조 중의 전이금속 이온 1개당의 수화수의 수가 0.56보다 현격하게 많으며, 2 정도 이상인 것이 일반적이다. 예의 검토한 결과, 전이금속 이온 1개당의 수화수의 수가 많은 금속 착물을 전극 활물질로서 사용하면, 극성이 높은 유기 용매에 용해되기 쉬운 것을 알 수 있었다. 따라서, 극성이 높은 유기 용매를 전해질 매체로서 사용한 축전 디바이스에 종래의 금속 착물을 사용한 경우에는, 축전 디바이스의 사이클 특성을 충분히 높일 수 없다고 생각된다.
[결정성]
본 발명의 전극 재료에 포함되는 착물은, 결정성을 갖는 것이 바람직하다. 전극 재료가 결정성을 갖고 있으면, 전극 재료를 축전 디바이스의 전극 재료로서 사용한 경우에 얻어지는 축전 디바이스의 내열성을 높일 수 있다. 한편, 전극 재료의 결정성의 유무는, 본 발명의 실시예에 기재된 방법에 의해 판정할 수 있다.
[평균 입자경]
본 발명의 전극 재료에 포함되는 착물은, 평균 입자경이 0.1μm 이상인 것이 바람직하며, 31μm 이하인 것이 바람직하고, 30μm 이하인 것이 보다 바람직하다. 착물의 평균 입자경이 상기 상한값 이하이면, 이러한 착물을 포함하는 전극을 구비하는 축전 디바이스의 사이클 특성을 한층 더 향상시킬 수 있다. 한편, 착물의 평균 입자경은, JIS Z 8825(레이저 회절)에 따른 체적 평균 입자경 D50이다.
[착물의 조제 방법]
그리고, 착물은, 상술한 바와 같은 전이금속 이온의 공급원이 되는 함전이금속 화합물과, 상술한 바와 같은 배위자의 공급원이 되는 산화 환원 화합물을 혼합하는 것(혼합 공정)에 의해 조제할 수 있다. 함전이금속 화합물로는, 상술한 바와 같은 전이금속 이온의 공급원이 될 수 있는 한에 있어서 특별히 한정되지 않고, 모든 화합물을 사용할 수 있다. 구체적으로는, 함전이금속 화합물로는, 전이금속을 포함하는 염을 들 수 있다. 예를 들어, 전이금속을 포함하는 염은, 전이금속의 황산염, 염화물, 질산염, 포름산염, 아세트산염, 수산화물, 산화물, 및 브롬산염 등일 수 있다. 그 중에서도, 함전이금속 화합물로는, 염화구리(I) 무수물 혹은 2수화물, 염화구리(II), 아세트산구리(II) 1수화물, 황산구리 5수화물, 염화철(II) 4수화물, 염화철(III) 6수화물, 황산철(II) 7수화물, 염화망간(II) 4수화물, 황산망간(II) 수화물, 염화니켈(II) 6수화물, 황산니켈(II) 6수화물 등이 바람직하다. 또한, 산화 환원 화합물로는, 상술한 배위자를 공급할 수 있는 한에 있어서 특별히 한정되지 않고, 모든 화합물을 사용할 수 있다.
또한, 본 발명의 전극 재료의 조제에 있어서, 상기 혼합 공정에 의해 얻어진 반응물을 건조하는 건조 공정을 실시하는 것이 바람직하다. 이러한 건조 공정은, 건조 공정을 거쳐 얻어지는 전극 재료의 단위 구조 중의 전이금속 이온 1개당의 수화수의 수가 소정의 값 이하가 되는 분위기, 온도 조건하에서 실시하는 것이 바람직하다. 구체적으로는, 이러한 「소정의 값」은, 0.56 이하여도 되는데, 0.50 이하인 것이 바람직하고, 0.47 이하인 것이 보다 바람직하다. 또한, 예를 들어, 건조 공정은 가열 진공 건조 공정일 수 있다. 진공 건조시의 가열 온도는, 110℃ 이상이어도 되고, 110℃ 초과인 것이 바람직하고, 120℃ 이상인 것이 보다 바람직하며, 통상, 전극 재료 자체의 분해 온도 미만일 수 있다. 또한, 진공 건조시의 건조 시간은, 예를 들어, 10분 이상 24시간 이하일 수 있다. 한편, 본 명세서에 있어서 「진공」이란, 100 Pa 이하의 분위기를 가리킨다.
(슬러리 조성물)
본 발명의 슬러리 조성물은, 상술한 전극 재료와, 셀룰로오스계 중합체 및 폴리에테르계 중합체 중 적어도 일방과, 물 및 임의의 유기 용제 등의 임의의 용매를 포함하고, 임의로 그 밖의 성분을 더 포함한다. 이러한 슬러리 조성물을 사용하여 형성한 전극은, 축전 디바이스에 높은 사이클 특성을 발휘시킬 수 있다. 한편, 본 발명의 슬러리 조성물은, 축전 디바이스에 구비될 수 있는 각종 전극을 제조할 때에 호적하게 사용할 수 있다. 즉, 본 발명의 슬러리 조성물을 사용하여, 축전 디바이스가 이차 전지인 경우에는 정극 및 부극을 호적하게 제조할 수 있고, 축전 디바이스가 커패시터인 경우에는 양극 및 음극을 호적하게 제조할 수 있다. 그 중에서도, 축전 디바이스가 이차 전지인 경우에는, 본 발명의 슬러리 조성물을 사용하여, 정극을 호적하게 형성할 수 있다.
셀룰로오스계 중합체로는, 카르복시메틸셀룰로오스(CMC), 하이드록시프로필메틸셀룰로오스(HPMC), 및 이들의 염 등의 셀룰로오스계 중합체를 들 수 있다. 또한, 폴리에테르계 중합체로는, 에틸렌옥사이드(EO) 단위, 프로필렌옥사이드(PO) 단위, 에피클로로히드린(ECH) 단위, 올리고에틸렌글리콜글리시딜에테르(EM) 단위, 올리고프로필렌글리콜글리시딜에테르(PM) 단위, 및 알릴글리시딜에테르(AGE) 단위 등 중의 1종 또는 복수종의 단량체 단위를 포함하는 폴리에테르계 중합체를 들 수 있다. 한편, 폴리에테르계 중합체는, 상기 단위 이외에 다른 단위를 포함하고 있어도 되는데, 이러한 다른 단위의 비율은, 중합체를 구성하는 전체 단량체 단위를 100 질량%로 하여, 10 질량% 이하인 것이 바람직하다. 여기서, 상기한 바와 같은 각 단위는, 이들 단위를 함유하는 기지의 각종 화합물을 사용하여, 통상적인 방법에 따라 중합 반응시킴으로써 형성할 수 있다. 중합 반응에 있어서, 각종 화합물과 공중합 가능한 다른 화합물로서, 상기 단위를 함유하지 않는 화합물도, 임의로 사용할 수 있다.
셀룰로오스계 중합체 및 폴리에테르계 중합체로서, 1종류를 단독으로 사용해도 되고, 2종류 이상을 임의의 비율로 조합하여 사용해도 된다. 그 중에서도, CMC, 폴리에틸렌옥사이드(PEO), 및 EO-PO-AGE 공중합체가 바람직하다.
그 밖의 성분으로는, 특별히 한정되지 않고, 예를 들어, 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE), 테트라플루오로에틸렌-헥사플루오로프로필렌 공중합체(FEP) 등의 불소계 수지; 폴리비닐알코올(PVA); 아세트산비닐 공중합체; 스티렌 부타디엔 고무(SBR), 아크릴산 변성 SBR 수지(SBR계 라텍스) 등의 고무류 등의 기지의 결착재, 그리고 아세틸렌 블랙과 같은 도전 조제 등의 기지의 첨가제 등을 들 수 있다. 슬러리 조성물 중에 있어서의 이들 성분의 배합량도, 특별히 한정되지 않고, 일반적인 범위 내로 할 수 있다.
그리고, 본 발명의 슬러리 조성물은, 특별히 한정되지 않고, 본 발명의 전극 재료, 셀룰로오스계 중합체 및 폴리에테르계 중합체 중 적어도 일방, 및 임의로 사용되는 그 밖의 성분을 용매의 존재하에서 혼합함으로써 조제할 수 있다.
(전극)
본 발명의 전극은, 상술한 바와 같은 전극 재료를 활물질로서 포함한다. 본 발명의 전극은, 상술한 어느 하나의 전극 재료를 포함하기 때문에, 축전 디바이스의 사이클 특성을 높일 수 있다. 또한, 본 발명의 전극은, 전극 중에 함유되는 착물의 단위 구조 중의, 전이금속 이온 1개당의 수화수의 수가 0.50 이하인 것이 바람직하다. 전극에 포함되는 착물의 전이금속 이온 1개당의 수화수의 수가 0.50 이하로 적으면, 이러한 전극을 구비하는 축전 디바이스의 사이클 특성을 한층 더 높일 수 있다. 한편, 「전극에 포함되는 착물의 전이금속 이온 1개당의 수화수의 수」는, 실시예에 기재된 방법에 따라 산출할 수 있다. 여기서, 전극 중에 포함되는 착물의 양이 미지인 경우에는, 전극을 산성 용액 또는 알칼리성 용액을 사용하여 분해하고, 얻어진 분해물 중의 금속 및/또는 배위자를 분석 정량함으로써, 착물 함유량을 얻을 수 있다.
전극 재료로서의 착물 중에 포함되는 전이금속 이온 1개당의 수화수의 수와, 전극 중에 포함되는 착물 중의 전이금속 이온 1개당의 수화수의 수에서는, 전극 형성 공정에 있어서의 건조 처리 등의 결과, 다른 경우가 있을 수 있다. 예를 들어, 전극 재료 단계에서는, 착물의 단위 구조 중의 전이금속 이온 1개당의 수화수의 수가 0.50 초과였던 전극 재료가, 전극 중에 있어서는, 착물의 단위 구조 중의 전이금속 이온 1개당의 수화수의 수가 0.50 이하가 되는 경우가 있을 수 있다. 얻어지는 전극 중에 함유되는 착물의 단위 구조 중의, 전이금속 이온 1개당의 수화수의 수는, 전극 형성 공정에 있어서의 건조 처리 조건 등을 조절함으로써 제어할 수 있다.
한편, 본 발명의 전극은, 축전 디바이스에 구비될 수 있는 각종 전극일 수 있다. 그 중에서도, 축전 디바이스가 이차 전지인 경우에는, 정극이 본 발명의 전극인 것이 바람직하다.
본 발명의 전극은, 활물질로서 상술한 전극 재료를 포함하는 전극 합재층을 포함할 수 있다. 한편, 임의로, 전극은 표면에 전극 합재층을 갖는 기재를 포함하고 있어도 되고, 이러한 기재는, 본 발명의 전극이 이차 전지용이나 커패시터용 정극인 경우에는, 예를 들어, 알루미늄 및 알루미늄 합금, 구리, 스테인리스, 니켈 등의 금속 재료로 이루어지는 집전체일 수 있다. 전극 합재층은, 활물질로서의 본 발명의 전극 재료에 더하여, 셀룰로오스계 중합체 및 폴리에테르계 중합체 중 적어도 일방을 포함하는 것이 바람직하다. 셀룰로오스계 중합체 및 폴리에테르계 중합체로는, 상기 「슬러리 조성물」의 항목에서 열거한 것과 동일한 것을 호적하게 함유할 수 있다. 또한, 전극 합재층은, 임의로, 상기 「슬러리 조성물」의 항목에서 언급한 바와 같은, 결착재, 도전 조제, 및 그 밖의 첨가제 등의 그 밖의 성분을 포함할 수 있다. 한편, 본 발명의 전극은, 상술한 본 발명의 슬러리 조성물을, 기재 상에 도포 및 건조함으로써 양호하게 형성할 수 있으나, 본 발명의 전극의 제조 방법은 이에 한정되는 것은 아니며, 예를 들어, 전극 합재층의 구성 성분을 고체 상태에서 혼합하고, 프레스 등의 기지의 방법에 따라 성형함으로써도 양호하게 형성할 수 있다.
(축전 디바이스)
본 발명의 축전 디바이스는, 본 발명의 전극, 및 전해질을 포함하는 것을 특징으로 한다. 본 발명의 축전 디바이스는, 상술한 바와 같은 전극 재료를 포함하는 전극을 구비하므로, 사이클 특성이 우수하다. 본 명세서에 있어서, 「전해질」이란, 축전 디바이스의 전극 간에서 이온을 전도하는 기능을 발휘하는 구성부를 의미한다. 그리고, 본 발명의 축전 디바이스는, 「전해질」로서, 지지 전해질이 용매 중에 용해되어 이루어지는 전해액, 유기 또는 무기의 고형 성분으로 이루어지는 고형 전해질, 및 지지 전해질이 가소화된 고분자 성분 중에 분산되어 이루어지는 가소화 고분자 전해질을 채용할 수 있다.
또한, 본 발명의 축전 디바이스는, 본 발명의 전극의 대향극을 포함하고, 이러한 대향극이 1종의 금속, 또는 복수종의 금속을 함유하여 이루어지는 합금을 포함하는 것이 바람직하다. 예를 들어, 이러한 금속 또는 합금으로는, 리튬, 나트륨, 칼륨, 마그네슘, 칼슘, 알루미늄, 및 이들의 합금 등의 금속 재료를 들 수 있다. 바람직하게는, 대향극은, 이들 금속 재료가 시트상으로 성형되어 이루어지는 금속박을 포함할 수 있다. 한편, 금속박의 두께는, 바람직하게는, 1μm 이상 300μm 이하이다. 한편, 임의로, 전극은 합금층을 지지하는 기재를 포함하고 있어도 되고, 이러한 기재는, 알루미늄 및 알루미늄 합금, 구리, 스테인리스, 니켈 등의 금속 재료로 이루어지는 집전체일 수 있다.
<전해질>
전해질로는, 상기 전극 재료를 불용인 전해질을 사용하는 것이 바람직하다. 이러한 전해질의 호적한 예로는, (1) 소정 성상의 유기 전해액, (2) 가소화 고분자 전해질, (3) 유기 고체 전해질, (4) 무기 고체 전해질, (5) 이온 액체 전해액, 및 (6) 수계 전해액 등을 들 수 있다. 한편, 본 명세서에 있어서, 전극 재료를 「불용인」 전해질이란, 25℃, 표준 대기압하에서 고체상인 전해질(즉, 고체 전해질); 이러한 조건하에서 액상인 전해질의 경우에는, 본 명세서의 실시예에 기재된 방법으로 전극 재료의 용해성을 확인한 경우에 용해성이 「없다」고 판정될 수 있는 전해질; 및, 가소화 고분자 전해질의 경우에는, 가소제의 함유량이, 가소화 고분자 전해질의 전체 질량을 100 질량%로 하여, 40 질량% 이하인 전해질을 의미한다. 보다 구체적으로는, 본 명세서의 실시예에 기재된 방법으로 전극 재료의 용해성을 확인한 경우에 용해성이 「없다」고 판정될 수 있는 상기 (1), (5), 또는 (6)의 전해액, 가소제의 함유량이 소정 상한 이하인 상기 (2)의 전해질, 혹은, 상기 (3) ~ (4)의 전해질이, 「전극 재료를 불용인 전해질」에 상당한다. 이하, 각각에 관하여 상세히 서술한다.
한편, 전해질에 함유시킬 수 있는 지지 전해질로는, Li2SO4, LiPF6, LiAsF6, LiBF4, LiSbF6, LiAlCl4, LiClO4, CF3SO3Li, C4F9SO3Li, CF3COOLi, (CF3CO)2NLi, Li(CF3SO2)2N(이하, 「LiTFSI」라고도 칭한다), (F3SO2)2NLi(이하, 「LiFSI」라고도 칭한다), (C2F5SO2)NLi 등의 리튬염; MgCl2, MgBr2, Mg(BF4)2, Mg(CF3SO3)2, Mg(N(CF3SO2)2)2(이하, 「Mg(TFSI)2」라고도 칭한다) 등의 마그네슘염, Al(PF6)3, Al(BF4)3, AlCl3, Al((CF3SO2)2N)3(이하, 「AlTFSI」라고도 칭한다), (C2H5)4NBF4, (C4H9)4NBF4 등을 들 수 있다. 이들은 1종을 단독으로, 혹은 2종 이상을 혼합하여 사용할 수 있다.
(1) 소정 성상의 유기 전해액
유기 전해액이란, 유기 용매 및 지지 전해질을 함유하는 전해액이다. 한편, 유기 전해액에 있어서의, 중량 평균 분자량 10,000 이상의 고분자 성분의 함유 비율은, 예를 들어, 전해액의 유동성의 관점에서 30 질량% 미만일 수 있다. 유기 전해액으로는, (α) 지지 전해질 농도가 2.5M 이상인 유기 전해액으로서 후술하는 (β)에 해당하지 않는 유기 전해액, (β) 지지 전해질 이외의 함유 성분의 70 질량% 이상이, 5℃에서 고체인 저분자 화합물인, 유기 전해액, 및 (γ) 지지 전해질 농도가 2.5M 미만인 유기 전해액으로서, 상기 (β)에 해당하지 않는 유기 전해액 등을 들 수 있다. 그리고, 유기 전해액을 구성할 수 있는 용매로는, 상술한 바와 같은 지지 전해질을 용해할 수 있는 것이면 특별히 한정되지 않고, 예를 들어, 물, 디메틸카보네이트(DMC), 에틸렌카보네이트(EC), 디에틸카보네이트(DEC), 프로필렌카보네이트(PC), 부틸렌카보네이트(BC), 에틸메틸카보네이트(EMC) 등의 카보네이트류, γ-부티로락톤(GBL) 등의 락톤류, 프로피온산에틸(EP) 등의 에스테르류, 인산트리메틸(TMP), 인산트리에틸(TEP) 등의 인산에스테르류, 아세토니트릴 등이 호적하게 사용된다. 또한 이들 용매의 혼합액을 사용해도 된다.
그리고, 상기 (α)를 만족하는 유기 전해액(이하, 「유기 전해액(α)」라고도 칭한다)은, 상기와 같은 지지 전해질의 액중에 있어서의 농도가 2.5M 이상, 바람직하게는 3.5M 이상이 되도록, 상기와 같은 용매에 대하여 용해시킴으로써 조제할 수 있다. 지지 전해질의 유기 전해액 중에 있어서의 농도가 2.5M 이상이면, 상기 전극 재료를 불용으로 할 수 있다. 또한, 유기 용매(α)를 구성하는 용매는, 디메틸카보네이트를 포함하는 용매, 또는 에틸렌카보네이트(EC) 및 디에틸카보네이트(DEC)의 혼합 용매인 것이 바람직하다. 또한, 유기 용매(α)가 에틸렌카보네이트(EC)를 포함하는 경우에는, 유기 용매(α) 중에 있어서의 EC의 함유 비율은, 지지 전해질 이외의 함유 성분을 100 질량%로 하여, 70 질량% 미만인 것이 바람직하다.
또한, 상기 (β)를 만족하는 유기 전해액(이하, 「유기 전해액(β)」라고도 칭한다)에 함유될 수 있는 「5℃에서 고체인 저분자 화합물」은, 분자량 1,000 이하의 저분자 화합물로서, 표준 대기압하, 5℃의 조건으로 한 경우에, 고체로서 존재하는 화합물이다. 구체적으로는, 「5℃에서 고체인 저분자 화합물」로는, 유기 전해액을 구성할 수 있는 용매로서도 열거한, 에틸렌카보네이트(EC)를 들 수 있다. 그리고, 유기 전해액(β) 중에 있어서의 5℃에서 고체인 저분자 화합물의 함유 비율은, 지지 전해질 이외의 함유 성분을 100 질량%로 하여, 75 질량% 이상인 것이 바람직하다.
(2) 가소화 고분자 전해질
가소화 고분자 전해질이란, 가소화된 중량 평균 분자량 10,000 이상의 고분자 화합물로 이루어지는 전해질로, 분자량 1,000 이하의 저분자 유기 화합물을 더 포함할 수 있다. 여기서, 가소화 고분자 전해질에 있어서의 분자량 1,000 이하의 저분자 유기 화합물의 함유 비율은, 중량 평균 분자량 10,000 이상의 고분자 화합물의 함유량을 100 질량부로 하여, 1 질량부 이상 150 질량부 이하인 것이 바람직하다. 또한, 가소화 고분자 전해질은, 저분자 유기 화합물의 함유량이, 가소화 고분자 전해질의 전체 질량을 100 질량%로 하여, 40 질량% 이하인 것이 바람직하다. 또한, 가소화 고분자 전해질은, 고분자 화합물의 함유량이, 가소화 고분자 전해질의 전체 질량을 100 질량%로 하여, 30 질량% 이상인 것이 바람직하다.
한편, 가소화 고분자 전해질 중에 있어서의 저분자 유기 화합물 및 고분자 성분의 함유량은, 액체 크로마토그래피에 의해 측정할 수 있다. 여기서, 저분자 유기 화합물로는, (1) 소정 성상의 유기 전해액의 항에서 거론한 용매, 및 숙시노니트릴 등의 디니트릴류 등을 들 수 있다. 또한, 가소화 고분자 전해질의 고분자 성분으로는, 특별히 한정되지 않고, 폴리에테르계 중합체를 들 수 있다. 이러한 폴리에테르계 중합체로는, 본 발명의 슬러리 조성물에 함유시킬 수 있는 폴리에테르계 중합체와 동일한 중합체를 사용할 수 있다.
또한, 가소화 고분자 전해질 중에 포함되는 지지 전해질로는, 상술한 바와 같은 지지 전해질을 사용할 수 있다. 지지 전해질의 농도는, 임의로 설정할 수 있다.
(3) 유기 고체 전해질
유기 고체 전해질은, 고분자 성분 중에 지지 전해질을 분산시켜 이루어지는, 25℃, 표준 대기압하에서 고체상인 전해질이다. 고분자 성분으로는, 가소화 고분자 전해질의 경우와 마찬가지로, 본 발명의 슬러리 조성물에 함유시킬 수 있는 폴리에테르계 중합체와 동일한 중합체를 사용할 수 있다. 또한, 지지 전해질로는, 상술한 바와 같은 지지 전해질을 사용할 수 있다. 그리고, 유기 고체 전해질은, 기지의 방법에 의해 조제할 수 있다. 예를 들어, 유기 고체 전해질은, 고분자 성분, 지지 전해질, 및 용매를 가열 혼합한 후에 건조시킴으로써 얻어진다. 이 때에 사용 가능한 용매로는, 테트라하이드로푸란 등의 유기 용매를 사용할 수 있다. 가열 혼합시의 온도는, 일반적인 온도 범위로 할 수 있다. 또한, 건조 방법으로는, 바람 건조, 진공 건조 방법 등을 채용할 수 있다. 또한, 유기 고체 전해질은, 고분자 성분에 지지 전해질이 직접 용해되는 경우에는 용매를 사용하지 않는 기지의 방법으로 조제할 수도 있다.
(4) 무기 고체 전해질
무기 고체 전해질로는, 예를 들어, 25℃, 표준 대기압하에서 고체상인, 기지의 무기 고체 전해질을 사용할 수 있다. 구체적으로는, 무기 고체 전해질로는, 황화물 고체 전해질 재료를 들 수 있다. 황화물 고체 전해질 재료에는 가교 황을 갖는 것과, 가교 황을 갖지 않는 것을 들 수 있으나, 가교 황을 갖지 않는 황화물 고체 전해질을 사용하는 것이 바람직하다. 이러한 가교 황을 갖지 않는 황화물 고체 전해질로는, Li2S-P2S5 재료, Li2S-SiS2 재료, Li2S-GeS2 재료, 및 Li2S-Al2S3 재료를 들 수 있다.
무기 고체 전해질은, 이러한 재료를, 예를 들어, 메커니컬 믹싱 등의 기계적 에너지를 부여하면서 혼합하는 방법을 거쳐 분쇄 혼합하여 비정질화하고, 프레스하여 층상으로 성형할 수 있다. 이러한 조작을 거쳐, 층상의 무기 고체 전해질을 제조할 수 있다.
(5) 이온 액체 전해액
이온 액체 전해액이란, 양이온부 및 음이온부로 이루어지는 이온 액체를 포함하는 전해액이다. 양이온부로는, 디메틸이미다졸륨 이온, 에틸메틸이미다졸륨 이온, 및 디에틸이미다졸륨 이온 등의 알킬이미다졸륨 이온; 프로필피리디늄 이온, 이소프로필피리디늄 이온, 및 부틸피리디늄 이온 등의 알킬피리디늄 이온; 테트라에틸암모늄 이온, 트리부틸메틸암모늄 이온, 헥실트리메틸암모늄 이온, 및 디에틸메틸(2-메톡시에틸)암모늄 이온 등의 알킬암모늄 이온; 테트라메틸포스포늄 이온 및 테트라부틸포스포늄 이온 등의 알킬포스포늄 이온; 등을 들 수 있다. 음이온부로는, 테트라플루오로보레이트 이온, 헥사플루오로포스페이트 이온, 염소 이온, 브롬 이온, 요오드 이온, 3불화메탄술폰산 이온, 6불화비소 이온, 질산 이온, 과염소산 이온, 및 비스트리플루오로메탄술폰이미드 이온 등을 들 수 있다. 이들 이온성 액체는, 단독으로 사용해도 되고, 2종류 이상을 혼합하여 사용하는 것도 가능하다. 또한 예를 들어, 양이온부는, 트리에틸렌글리콜디메틸에테르(이하, 「트리글라임」이라고도 칭한다) 및 테트라에틸렌글리콜디메틸에테르(이하, 「테트라글라임」이라고도 칭한다) 등의 글라임류와, 리튬염 등의 등몰 착물일 수 있다. 또한, 음이온부는, 비스(트리플루오로메틸술포닐)이미드, 및 비스(플루오로술포닐)이미드 음이온(FSI)일 수 있다. 그리고, 이온 액체 전해질은, 예를 들어, 지지 전해질로서 상기 열거한 것 중에서도, LiTFSI, LiFSI, 및 Mg(TFSI)2 등과, 글라임류를, 이들에 함유되는 양이온부 및 음이온부가 몰비로 1:1이 되도록 혼합함으로써 조제할 수 있다. 예를 들어, LiTFSI와 테트라글라임을 몰비 1:1로 혼합하여 얻은 이온 액체 중에서는, Li+ 양이온에 테트라글라임 분자가 1:1로 배위하여, 착양이온을 형성한다. 한편, 동일한 이온 액체 중에는 음이온인 [TFSI]-가 착양이온과 등몰량 존재한다. 이와 같이, 이온 액체 전해액은, 착양이온 및 음이온을 포함할 수 있다. 한편, 이온 액체 전해액은, 이들 착양이온 및 음이온 외에, 1,1,2,2-테트라플루오로에틸-2,2,3,3-테트라플루오로프로필에테르 등의 불소 치환 알킬에테르 화합물 등의 저점도 용매를 배합할 수 있다.
(6) 수계 전해액
수계 전해액이란, 이온 교환수나 초순수 등의 수중에, 상술한 바와 같은 지지 전해질을 분산시켜 이루어지는 전해액이다.
한편, 상술한, (1)의 (β)의 유기 전해액, 및 (2) ~ (6)에 따른 각종 전해질 또는 전해액 중에 있어서의 지지 전해질의 함유 비율은, 임의로 설정 가능하며, 예를 들어, 2.5M 미만일 수 있다.
또한, 축전 디바이스는 세퍼레이터를 구비한다. 상기 (1), (5), 및 (6)과 같은 액상의 전해질(즉, 전해액)을 채용한 축전 디바이스의 세퍼레이터로는, 특별히 한정되지 않고, 축전 디바이스에 사용될 수 있는 기지의 미다공막을 사용할 수 있다. 또한, 상기 (2)와 같은 가소화 고분자 전해질 혹은 상기 (3)과 같은 유기 고체 전해질을 채용한 축전 디바이스의 세퍼레이터로는, 예를 들어, 자외선 등의 조사에 의해 경화 가능한 광경화형 수지를 사용하여 형성한 세퍼레이터를 들 수 있다. 구체적으로는, 가소화 고분자 전해질 또는 유기 고체 전해질로 이루어지는 전해질층의 형성시에, 광경화형 수지를 배합함으로써 세퍼레이터로서의 기능도 겸비하는 전해질층을 얻을 수 있다.
그리고, 축전 디바이스는, 사용하는 전해질의 종류나, 전극의 종류에 따라, 기지의 방법에 따라 제조할 수 있다. 예를 들어, 상기 (1), (5), 및 (6)과 같은 액상의 전해질(즉, 전해액)을 채용한 축전 디바이스는, 정극과 부극과 세퍼레이터를 필요에 따라 전지 형상으로 감기, 접기 등을 하여 전지 용기에 넣고, 전지 용기에 전해액을 주입하여 봉구함으로써 제조할 수 있다. 전기 화학 소자의 내부 압력의 상승, 과충방전 등의 발생을 방지하기 위하여, 필요에 따라, 퓨즈, PTC 소자 등의 과전류 방지 소자, 익스팬디드 메탈, 리드판 등을 설치해도 된다. 전기 화학 소자의 형상은, 예를 들어, 코인형, 버튼형, 시트형, 원통형, 각형, 편평형 등, 어느 것이어도 된다.
또한, 상기 (2)와 같은 가소화 고분자 전해질, (4)와 같은 무기 고체형 전해질, 혹은 상기 (3)과 같은 유기 고체 전해질을 채용한 축전 디바이스는, 정극과 부극과 세퍼레이터를 적층시켜, 원하는 형상의 외장체 내에 배치하여 봉구함으로써 제조할 수 있다.
실시예
이하, 본 발명에 대하여 실시예에 기초하여 구체적으로 설명하는데, 본 발명은 이들 실시예에 한정되는 것은 아니다. 한편, 이하의 설명에 있어서, 양을 나타내는 「%」 및 「부」는, 특별히 언급하지 않는 한, 질량 기준이다. 또한, 이하의 설명에 있어서, 「실온」이란, 25℃를 의미한다.
실시예, 비교예에 있어서, 전극 재료의 평균 입자경, 전극 재료에 함유되는 전이금속 이온 1개당의 수화수의 수, 전극 재료의 조성, 전극 재료의 결정성, 전해질에 의한 전극 재료의 용해성, 그리고, 축전 디바이스의 방전 용량 및 용량 유지율은, 각각, 이하와 같이 하여 측정 또는 평가하였다. 또한, 실시예, 비교예의 전극 재료의 합성 방법은, 이하의 합성예 1 ~ 합성예 9에 따랐다. 또한, 전해질의 조제 방법은, 이하의 조제예 A ~ I에 따랐다.
<전극 재료의 평균 입자경>
하기 각 합성예에 따라 얻은 전극 재료의 평균 입자경은, JIS Z 8825에 따라 측정하였다. 한편, 상기 측정에 의해 얻어진 입자경 분포(체적 기준)에 있어서, 소경측으로부터 계산한 누적 체적이 50%가 되는 입자경(D50)을 평균 입자경으로 하였다.
<전이금속 이온 1개당의 수화수의 수>
[전극 재료]
전극을 형성하기 전의, 재료 단계에서의 전극 재료의 수화수의 수를 측정함에 있어서, 먼저, 열중량 분석법에 따라, 실시예, 비교예에서 얻어진 전극 재료의 수분에 의한 가열 감량을 측정하였다. 그리고, 얻어진 측정값을, 실시예, 비교예에서 얻어진 전극 재료의 단위 구조당의 금속 원자수로 나누어, 「재료 단계에서의 전이금속 이온 1개당의 수화수의 수」로 하였다.
여기서, 가열에 의해 전극 재료로부터 발생한 기체를, MS 스펙트럼에 의해 분석하고, 발생한 기체가 물 분자에 상당하는 질량수 18인 것을 확인하여, 감량분이 수분인 것을 확인하였다.
[전극 중]
전극 형성 후의, 전극 중에 있어서의 전극 재료의 수화수의 수를 측정함에 있어서, 먼저, 실시예, 비교예에서 제작한 전극을 가열하여 수분에 의한 가열 감량을 측정하였다. 그리고, 얻어진 측정값을, 전극 재료의 단위 구조당의 금속 원자수로 나누어, 「전극 중에 있어서의 전이금속 이온 1개당의 수화수의 수」로 하였다.
<조성의 동정 및 결정성의 유무>
분말 X선 회절 장치(리가쿠사 제조 「RINT2000」)를 사용하여 분말 X선 회절을 행하고, 얻어진 회절 차트에 있어서, 원료 화합물 유래가 아닌 회절 피크로서, 반치전폭(FWHM)이 3° 이하인 회절 피크가 적어도 1개 나타나는 경우에, 결정성을 갖는 것이라고 평가하였다.
<전해질에 의한 전극 재료의 용해성>
전해질로서 전해액을 채용한 실시예 1 ~ 7, 10 ~ 11, 15 ~ 17, 비교예 1 ~ 2에 대하여 전극 재료의 용해성을 확인하였다.
전해질로서 전해액을 채용한 상기 각 실시예, 비교예에 따른 전극 재료와 전해액의 조합에서, 전해액 중에 전극 재료를 투입하고 실온에서 24시간 침지하여, 용해성을 확인하였다. 24시간 침지 후의 전해액을 목시 관찰하여, 착색이 확인된 경우를 용해성 있음으로, 착색이 확인되지 않은 경우를 용해성 없음으로서 판정하였다. 그 결과, 실시예 1 및 2에서 용해성 있음으로 판정되고, 그 밖의 실시예, 비교예에서는, 전부 용해성 없음으로서 판정되었다.
<방전 용량>
실시예, 비교예에서 얻어진 축전 디바이스에 대하여, 전류 밀도가 20 mA/g이 되는 조건으로 하여 반복 충방전을 행하고, 방전 용량을 기록하였다. 이 때, 실온에서는 동작하지 않는 전해질을 사용한 실시예 9에 대해서는 60℃에서, 실시예 17에 있어서는 100℃에서, 그 밖의 실시예, 비교예에 대해서는 실온에서 평가를 행하였다. 표 1에, 초회 방전 용량 및 10 사이클 후의 방전 용량을 나타낸다.
또한, 표 1에, 실시예, 비교예에 있어서의 측정시의 전압 범위를 나타낸다.
<용량 유지율>
상기에 따라 측정한 초회 방전 용량 W1과 10 사이클 후의 방전 용량 W10을 이용하여, W10/W1 × 100(%)에 따라 용량 유지율을 산출하였다.
이하의 합성예에 따라, 실시예, 비교예에서 사용한 착물을 합성하였다. 한편, 이하의 조작에 있어서, 「진공」이란 압력 100 Pa 이하의 분위기를 가리킨다.
(합성예 1)
3.5g의 로디존산 2수화물(17 mmol, 와코 순약 공업)과 3.39g의 아세트산구리(II) 1수화물(17 mmol, 와코 순약 공업)을 메탄올 중에서 반응시켰다. 반응 후, 용제 및 부생하는 아세트산을 증발시키고 나서, 110℃의 진공 건조를 8시간 행하여, 흑색의 로디존산구리 분말(전극 재료)을 얻었다. 얻어진 전극 재료에 대하여, 상기 방법에 따라, 전극 재료에 함유되는 전이금속 이온 1개당의 수화수의 수, 및 전극 재료의 조성이나 결정성의 유무를 평가하였다. 그 결과, 전극 재료의 조성은, C6O6Cu(II)·0.56H2O인 것이 밝혀졌다. 또한, 이러한 조성으로부터, 전이금속 이온 1개당의 수화수의 수는 0.56인 것이 판명되었다. 또한, 결정성은 「있음」인 것이 판명되었다.
(합성예 2)
3.64g의 로디존산나트륨(17 mmol, 와코 순약 공업)과 4.46g의 황산구리(II) 5수화물(17.9 mmol, 와코 순약 공업)을 400ml의 이온 교환수 중에서 24시간 반응시켰다. 반응 후의 침전물을 여과하여, 물과 아세톤으로 세정하고, 110℃의 진공 건조를 8시간 행하여, 흑색의 로디존산구리 분말(전극 재료)을 얻었다. 얻어진 전극 재료에 대하여, 상기 방법에 따라, 전극 재료에 함유되는 전이금속 이온 1개당의 수화수의 수, 및 전극 재료의 조성이나 결정성의 유무를 평가하였다. 그 결과, 전극 재료의 조성은, C6O6Cu(II)·0.56H2O인 것이 밝혀졌다. 또한, 이러한 조성으로부터, 전이금속 이온 1개당의 수화수의 수는 0.56인 것이 판명되었다. 또한, 결정성은 「있음」인 것이 판명되었다.
(합성예 3)
반응 후의 진공 건조시의 온도를, 120℃로 변경한 것 이외에는, 합성예 2와 동일하게 하여 흑색의 로디존산구리 분말을 얻었다. 합성예 2와 동일한 평가의 결과, 얻어진 전극 재료의 조성은 C6O6Cu(II)·0.45H2O인 것이 밝혀졌다. 또한, 이러한 조성으로부터, 전이금속 이온 1개당의 수화수의 수는 0.45인 것이 판명되었다. 또한, 결정성은 「있음」인 것이 판명되었다.
(합성예 4)
반응 후의 진공 건조시의 온도를, 130℃로 변경한 것 이외에는, 합성예 2와 동일하게 하여 흑색의 로디존산구리 분말을 얻었다. 합성예 2와 동일한 평가의 결과, 얻어진 전극 재료의 조성은 C6O6Cu(II)인 것이 밝혀졌다. 또한, 이러한 조성의 전극 재료는 무수물이고, 전이금속 이온 1개당의 수화수의 수는 0이었다. 또한, 결정성은 「있음」인 것이 판명되었다.
(합성예 5)
120.2mg(1 mmol)의 루비안산(알드리치)을 40ml의 에탄올에 용해시켜 70℃로 유지한 용액에 대하여, 318.2mg(1 mmol)의 황산구리(II) 5수화물(칸토 화학)을 용해시킨 수용액 40ml를, 교반하면서 소량씩 첨가하여 24시간 반응시켰다. 반응 후의 침전물을 여과하여, 물과 아세톤으로 세정하고, 80℃에서 진공 건조를 8시간 행하고, 또한 대기압 질소 분위기하 120℃에서 1시간의 가열 처리를 행하여, 흑색의 루비안산구리(II) 분말을 얻었다. 합성예 2와 동일한 평가의 결과, 얻어진 전극 재료의 조성은 C2N2S2H2Cu(II)·1.3H2O인 것이 밝혀졌다. 또한, 이러한 조성으로부터, 전이금속 이온 1개당의 수화수의 수는 1.3인 것이 판명되었다. 또한, 결정성은 「없음」인 것이 판명되었다.
(합성예 6)
반응 후의 진공 건조시의 온도를 130℃로 변경하고, 그 후의 가열 처리를 행하지 않은 것 이외에는 합성예 5와 동일하게 하여, 흑색의 루비안산구리(II) 분말을 얻었다. 합성예 2와 동일한 평가의 결과, 얻어진 전극 재료의 조성은 C2N2S2H2Cu(II)인 것이 밝혀졌다. 또한, 이러한 조성으로부터, 전이금속 이온 1개당의 수화수의 수는 0인 것이 판명되었다. 또한, 결정성은 「없음」인 것이 판명되었다.
(합성예 7)
2,5-디-하이드록시-p-벤조퀴논(와코 순약 공업)을 140.1mg(1 mmol), 및 수산화리튬 1수화물(와코 순약 공업)을 83.9g(2 mmol)을 플라스크에 칭량하고, 초순수 20g을 첨가해 실온에서 1시간 교반하여 완전히 용해시켰다. 여기에, 염화철(II) 4수화물(와코 순약 공업)을 198.8mg(1 mmol) 투입하고, 다시 24시간 교반하였다. 반응 후의 침전물을 여과하여, 물과 아세톤으로 세정하고, 130℃에서 8시간 진공 건조하여, 흑색의 디하이드록시벤조퀴논철(II)을 얻었다. 합성예 2와 동일한 평가의 결과, 얻어진 전극 재료의 조성은 C6O4H2Fe(II)인 것이 밝혀졌다. 또한, 이러한 조성의 전극 재료는 무수물이고, 전이금속 이온 1개당의 수화수의 수는 0이었다. 또한, 결정성은 「있음」인 것이 판명되었다.
(합성예 8)
스쿠아르산(와코 순약 공업)을 114.1mg(1 mmol), 및 수산화리튬 1수화물(와코 순약 공업)을 83.9g(2 mmol)을 플라스크에 칭량하고, 초순수 20g을 첨가해 실온에서 1시간 교반하여 완전히 용해시켰다. 여기에, 황산철(II) 7수화물(와코 순약 공업)을 278mg(1 mmol) 투입하고, 다시 24시간 교반하였다. 반응 후의 침전물을 여과하여, 물과 아세톤으로 세정하고, 200℃에서 8시간 진공 건조를 행하여 흑색의 스쿠아르산철(II) 분말을 얻었다. 합성예 2와 동일한 평가의 결과, 얻어진 전극 재료의 조성은 C4O4Fe(II)인 것이 밝혀졌다. 또한, 이러한 조성의 전극 재료는 무수물이고, 전이금속 이온 1개당의 수화수의 수는 0이었다. 또한, 결정성은 「있음」인 것이 판명되었다.
(합성예 9)
로디존산 2수화물(Alfa Aeser)을 206mg(1 mmol), 탄산리튬(Sigma-Aldrich)을 73.9mg(1 mmol)을 플라스크에 칭량하고, 초순수 20ml를 첨가해 12시간 교반하여, 반응시켰다. 반응 용액을 8000 rpm으로 10분간의 원심 분리를 행하고, 침전물을 아세톤으로 세정해 200℃에서 8시간 진공 건조를 행하여 로디존산Li를 얻었다. 합성예 2와 동일한 평가의 결과, 얻어진 전극 재료의 조성은 Li(C6O6Li2)이고, 무수 로디존산인 것이 밝혀졌다. 또한, 이러한 조성의 전극 재료는 무수물이고, 금속 이온 1개당의 수화수의 수는 0이었다. 또한, 결정성은 「있음」인 것이 판명되었다.
(각종 전해질의 조제)
이하의 조제예 A ~ I에 따라, 각종 전해질을 조제하였다. 하기 조제에 관한 조작은, 수분과의 접촉을 방지하기 위하여 전부 아르곤 글러브 박스 내에서 행하였다.
<조제예 A>
유기 전해액을 구성하는 용매로서의 에틸렌카보네이트와 디에틸카보네이트를 질량비로 1:2가 되도록 칭량하고, 혼합하여 균일한 용액으로 하였다. 여기에, 지지 전해질로서 LiPF6을 투입하여 용해시켜, 1M의 유기 전해액인 전해질 A를 조제하였다. 전해질 A는, 상기 유기 전해액(γ)에 상당하는 전해액이다.
<조제예 B>
유기 전해액을 구성하는 용매로서의 에틸렌카보네이트와 디에틸카보네이트를 질량비로 8:2가 되도록 칭량하고, 혼합하여 균일한 용액으로 하였다. 한편, 에틸렌카보네이트는, 표준 대기압하, 5℃에서 고체인 저분자 화합물(분자량: 88.06)이다. 여기에, 지지 전해질로서 LiTFSI를 용해시켜, 1M의 유기 전해액인 전해질 B를 조제하였다. 전해질 B는, 상기 유기 전해액(β)에 상당하는 전해액이다.
<조제예 C>
유기 전해액을 구성하는 용매로서의 디메틸카보네이트에 대하여, 지지 전해질로서 LiPF6을 용해시켜, 4.5M의 유기 전해액인 전해질 C를 조제하였다. 한편, 전해질 C는, 상기 유기 전해액(α)에 상당하는 전해액이다.
<조제예 D>
이온 액체 전해액을 구성하는 용매로서의 테트라글라임(테트라에틸렌글리콜디메틸에테르)에 대하여, 지지 전해질로서 LiTFSI를 몰비로 1:1이 되도록 용해시켜, 이온 액체를 얻었다. 여기에, 점도 저감을 목적으로 하여, 1,1,2,2-테트라플루오로에틸-2,2,3,3-테트라플루오로프로필에테르를, 상기 이온 액체 중에 함유되는 테트라글라임에 대하여, 몰비로 4가 되는 양으로 첨가하여 이온 액체 전해액인 전해질 D를 조제하였다.
<조제예 E>
용매로서의 초순수에 대하여, 지지 전해질로서 Li2SO4를 용해시켜, 1M의 수계 전해액인 전해질 E를 조제하였다.
<조제예 F>
이온 액체 전해액을 구성하는 용매로서의 트리글라임(트리에틸렌글리콜디메틸에테르)에 대하여, 지지 전해질로서 Mg(TFSI)2를 용해시켜 4.5M의 이온 액체 전해액인 전해질 F를 조제하였다.
<조제예 G>
폴리에테르계 단량체 단위로서의, 에틸렌옥사이드, 프로필렌옥사이드, 및 알릴글리시딜에테르를, 조성비가 90:6:4 mol%가 되도록 함유하는 동시에, 중량 평균 분자량이 90만인 폴리에테르계 중합체 2g을 고분자 성분으로서, LiTFSI 600mg을 지지 전해질 성분으로서, 각각 칭량하였다. 여기에, 용매로서의 테트라하이드로푸란(THF, 분자량: 72.11, 밀도: 0.8892 g/cm3)을 40cc 첨가하고, 40℃에서 가열 혼합하여 용해시켜 균일한 유기 전해질 용액을 얻었다. 얻어진 용액을 바람 건조하여 THF를 휘산시키고 나서 진공 건조해 고체상으로 하여, 유기 고체 전해질인 전해질 G를 얻었다.
<조제예 H>
고분자 성분으로서의 중량 평균 분자량 100만의 폴리에틸렌옥사이드(알드리치)를 7g, 지지 전해질 성분으로서의 LiTFSI를 6g, 가소제로서의 에틸렌카보네이트(분자량: 88.06)를 7g, 각각 칭량하고, 혼합하여 용해시켜 점조한 균일 용액을 얻었다. 얻어진 점조한 균일 용액은, 가소화 고분자 전해질이며, 이하, 전해질 H라고 칭한다.
<조제예 I>
출발 원료로서, 황화리튬(Li2S)과 5황화인(P2S5)을 사용하였다. 이들 분말을 아르곤 분위기하의 글러브 박스 내에서, Li2S:P2S5 = 75:25(몰비)가 되도록 칭량하고, 마노 막자사발로 혼합하여, 원료 조성물을 얻었다. 다음으로, 얻어진 원료 조성물 1g을 45ml의 지르코니아 포트에 투입하고, 또한 지르코니아 볼(Φ 10mm, 10개)을 투입하여, 포트를 완전히 밀폐하였다. 이 포트를 유성형 볼밀기에 장착하고, 회전수 370 rpm으로 40시간 메커니컬 밀링을 행하였다. 이에 의해, 황화물 고체 전해질 재료(75Li2S·25P2S5 유리)를 얻었다. 얻어진 황화물 고체 전해질 재료에 대하여 라만 분광 측정에 의해, 가교 황을 갖지 않는 것을 확인하였다.
그리고, 상기 황화물 고체 전해질 재료를, 1 ton/cm2의 압력으로 프레스하여, 고체 전해질층인 전해질 I(두께: 400μm)를 형성하였다.
(실시예 1)
정극 활물질로서 합성예 1에서 얻어진 전극 재료를 100 부, 도전 조제로서 아세틸렌 블랙을 100 부, 결착제로서 PTFE 분말을 고형분 환산량으로 32 부 혼합하고, 막자사발로 균일해질 때까지 혼련하였다. 얻어진 컴파운드를 평판 프레스로, 집전체로서의 두께 20μm의 알루미늄박에 압착하여, 정극 합재층 두께 20μm의 정극을 얻었다. 부극으로는, 두께 200μm의 Li 금속판을 사용하였다. 또한, 세퍼레이터로는 두께 260μm의 유리 섬유 여과지를 사용하였다. 그리고, 정극, 세퍼레이터, 및 부극을, 각각 원형으로 잘라내고, 이 순서로 적층하여, 2032 사이즈의 코인 셀 외장체의 저부 상에 재치하고, 조제예 A에 따라 얻어진 1M의 유기 전해액인 전해질 A를 주액하고 나서 코인 셀 외장체의 상부를 포개서 고정하여, 축전 디바이스인 리튬 이온 이차 전지를 얻었다. 얻어진 전지에 대하여, 상기 방법에 따라 방전 용량 및 용량 유지율을 평가하였다. 결과를 표 1에 나타낸다.
(실시예 2)
정극 활물질로서 합성예 2에서 얻어진 전극 재료를 사용한 것 이외에는, 실시예 1과 동일하게 하여, 축전 디바이스인 리튬 이온 이차 전지를 얻었다. 얻어진 전지에 대하여, 상기에 따라 평가를 행하였다. 결과를 표 1에 나타낸다.
(실시예 3)
정극 활물질로서 합성예 3에서 얻어진 전극 재료를 사용한 것 이외에는, 실시예 1과 동일하게 하여, 축전 디바이스인 리튬 이온 이차 전지를 얻었다. 얻어진 전지에 대하여, 상기에 따라 평가를 행하였다. 결과를 표 1에 나타낸다.
(실시예 4)
정극 제작시에, 결착재로서 스티렌 부타디엔 고무(BM400B; 닛폰 제온(주) 제조)의 수분산액을 고형분 환산량으로 16 부, 카르복시메틸셀룰로오스(BSH-12; 다이이치 공업 제약사 제조)를 고형분 환산량으로 16 부 혼합하고, 이온 교환수를 고형분 농도가 35 질량%가 되도록 더 첨가하고, 혼합 분산시켜 전극 합재층용 슬러리 조성물을 얻었다. 얻어진 슬러리 조성물을, 집전체로서의 두께 20μm의 알루미늄박에 대하여 도포하고 건조시켜, 정극 합재층 두께 20μm의 정극을 얻었다. 전극 작성시에 활물질과 물을 접촉시켰기 때문에, 만일을 위해 정극 활물질 합성시와 동일한 건조 조건으로 다시 전극의 진공 건조를 행하였다. 이러한 점 이외에는 실시예 3과 동일하게 하여, 축전 디바이스인 리튬 이온 이차 전지를 얻었다. 얻어진 전지에 대하여, 상기에 따라 평가를 행하였다. 결과를 표 1에 나타낸다.
(실시예 5 ~ 7)
전해액으로서, 각각, 조제예 B에 따라 얻어진 유기 전해액(β)에 상당하는 전해액인 전해질 B(실시예 5), 조제예 C에 따라 얻어진 유기 전해액(α)에 상당하는 전해액인 전해질 C(실시예 6), 조제예 D에 따라 얻어진 이온 액체 전해액인 전해질 D(실시예 7)를 사용하였다. 이러한 점 이외에는 실시예 4와 동일하게 하여, 축전 디바이스인 리튬 이온 이차 전지를 얻었다. 얻어진 전지에 대하여, 상기에 따라 평가를 행하였다. 결과를 표 1에 나타낸다.
(실시예 8)
전해질로서, 상기 조제예 I에 따라 얻어진 고체 전해질층인 전해질 I를 사용하였다. 먼저, 정극 활물질로서 합성예 3에서 얻어진 전극 재료를 100 부, 도전 조제로서 아세틸렌 블랙을 100 부, 및 상기 조제예 I에 따라 얻어진 황화물 고체 전해질 재료를 130 부를 혼합하여 얻어진 혼합 재료를, 고체 전해질층인 전해질 I 상에 배치하여 1 ton/cm2의 압력으로 프레스하여, 정극 합재층(정극)을 형성하였다. 한편, 본 예에서는, 정극의 형성에 있어서, 정극용 결착재에 상당하는 재료는 사용하지 않고, 대신에, 조제예 I에 따라 얻어진 황화물 고체 전해질 재료를 사용하고 있다.
또한, 고체 전해질층인 전해질 I의 반대측의 표면 상에, 부극으로서, 두께 200μm의 Li-In 합금을 배치하고, 2032 사이즈의 코인 셀 외장체에 장착하여, 축전 디바이스인 리튬 이온 이차 전지를 얻었다. 얻어진 전지에 대하여, 상기에 따라 평가를 행하였다. 결과를 표 1에 나타낸다.
(실시예 9)
전해질로서, 상기 조제예 G에 따라 얻어진 유기 고체 전해질인 전해질 G를 사용하였다. 먼저, 정극 활물질로서 합성예 3에서 얻어진 전극 재료를 100 부, 도전 조제로서 아세틸렌 블랙을 100 부, 및 상기 조제예 G에 따라 얻어진 전해질 G 120 부를 칭량하고, 가온하면서 균일해질 때까지 혼합하여 컴파운드를 얻었다. 얻어진 컴파운드를 두께 20μm의 알루미늄박에 대해 압착하여, 정극 합재층의 두께 20μm인 정극을 얻었다. 한편, 본 예에서는, 정극의 형성에 있어서, 정극용 결착재에 상당하는 재료는 사용하지 않고, 대신에, 상기 전해질 G를 사용하고 있다. 또한, 부극으로는, 두께 200μm의 Li 금속판을 사용하였다.
또한, 전해질 G를 100 부에 대하여, 자외선 가교제(BASF사 제조, 「이르가큐어(등록상표) 651」)를 1 부 첨가하고, 필름상으로 성형하고 나서 자외선을 조사하여, 두께 20μm의 가교 폴리머 전해질 필름 세퍼레이터를 얻었다.
상술한 바와 같이 하여 얻어진 정극, 세퍼레이터, 및 부극을 사용하여 적층체를 얻고, 실시예 1과 동일하게 하여 2032 사이즈의 코인 셀 외장체에 장착하여, 축전 디바이스인 리튬 이온 이차 전지를 얻었다. 얻어진 전지에 대하여, 상기에 따라 평가를 행하였다. 결과를 표 1에 나타낸다.
(실시예 10)
정극 활물질로서, 합성예 4에서 얻어진 전극 재료를 100 부 사용한 것 이외에는, 실시예 1과 동일하게 하여, 축전 디바이스인 리튬 이온 이차 전지를 얻었다. 얻어진 전지에 대하여, 상기에 따라 평가를 행하였다. 결과를 표 1에 나타낸다.
(실시예 11)
정극 활물질로서, 합성예 2에서 얻어진 전극 재료를 100 부 사용하고, 전극을 130℃에서 건조한 것 이외에는, 실시예 1과 동일하게 하여, 축전 디바이스인 리튬 이온 이차 전지를 얻었다. 얻어진 전지에 대하여, 상기에 따라 평가를 행하였다. 결과를 표 1에 나타낸다.
(실시예 12)
정극 활물질로서 합성예 5에서 얻어진 전극 재료를 사용하고, 정극용 결착재로서 가소화 고분자 전해질인 전해질 H를 사용하고, 세퍼레이터로서, 전해질 H를 함침시킨 260μm의 유리 섬유 여과지를 사용한 것 이외에는, 실시예 9와 동일하게 하여, 축전 디바이스인 리튬 이온 이차 전지를 얻었다. 얻어진 전지에 대하여, 상기에 따라 평가를 행하였다. 결과를 표 1에 나타낸다.
(실시예 13)
정극 활물질로서, 합성예 6에서 얻어진 전극 재료를 사용한 것 이외에는, 실시예 12와 동일하게 하여, 축전 디바이스인 리튬 이온 이차 전지를 얻었다. 얻어진 전지에 대하여, 상기에 따라 평가를 행하였다. 결과를 표 1에 나타낸다.
(실시예 14)
정극 활물질로서, 합성예 7에서 얻어진 전극 재료를 사용한 것 이외에는, 실시예 13과 동일하게 하여, 축전 디바이스인 리튬 이온 이차 전지를 얻었다. 얻어진 전지에 대하여, 상기에 따라 평가를 행하였다. 결과를 표 1에 나타낸다.
(실시예 15)
정극 활물질로서, 합성예 8에서 얻어진 전극 재료를 사용한 것 이외에는, 실시예 4와 동일하게 하여, 축전 디바이스인 리튬 이온 이차 전지를 얻었다. 얻어진 전지에 대하여, 상기에 따라 평가를 행하였다. 결과를 표 1에 나타낸다.
(실시예 16)
축전 디바이스로서, 전기 이중층 커패시터를 제조하였다.
활물질로서, 합성예 6에서 얻어진 전극 재료를 사용한 것 이외에는 실시예 1과 동일하게 하여 전극을 제작하였다. 대향극으로는, 전극 활물질로서 체적 평균 입자경이 15μm인 페놀 수지를 원료로 하는 수증기 부활탄인 활성탄 분말(RP-20; 쿠라레 케미컬사 제조) 50 부 및 체적 평균 입자경이 15μm인 야자껍질탄을 원료로 하는 수증기 부활탄인 활성탄 분말(YP-17; 쿠라레 케미컬사 제조) 50 부, 분산제로서 카르복시메틸셀룰로오스의 1.5% 수용액(DN-800H; 다이셀 화학 공업사 제조)을 고형분으로 1.4 부, 도전재로서 아세틸렌 블랙(덴카 블랙 분상; 덴키 화학 공업사 제조) 5 부, 결착제로서 수평균 입자경이 0.12μm이고 유리 전이 온도가 -5℃인 가교형 아크릴레이트 중합체의 40% 수분산체를 고형분으로 5.6 부, 및 이온 교환수를 전체 고형분 농도 20%가 되도록 혼합하여, 슬러리 조성물을 얻었다. 얻어진 슬러리 조성물을, 집전체로서의 두께 20μm의 알루미늄박에 대하여 도포하고 건조시켜, 합재층 두께 20μm의 대향극을 얻었다. 또한, 전해질로서, 상기 조제예 E에 따라 얻어진 1M의 수계 전해액인 전해질 E를 사용하였다. 이러한 점 이외에는 실시예 1과 동일한 조작을 행하여 축전 디바이스인 전기 이중층 커패시터를 얻었다. 얻어진 전기 이중층 커패시터에 대하여, 상기에 따라 평가를 행하였다. 결과를 표 1에 나타낸다.
(실시예 17)
축전 디바이스로서, 마그네슘 이온 이차 전지를 제조하였다.
정극 활물질로서, 합성예 6에서 얻어진 전극 재료를 사용하였다. 또한, 부극으로서, 두께 200μm의 Mg를 주성분으로 하는 합금인 AZ31 합금을 사용하였다. 또한, 전해질로서, 상기 조제예 F에 따라 얻어진 4.5M의 이온 액체 전해액인 전해질 F를 사용하였다. 이러한 점 이외에는, 실시예 1과 동일하게 하여 축전 디바이스인 마그네슘 이온 이차 전지를 얻었다. 얻어진 마그네슘 이온 이차 전지에 대하여, 상기에 따라 평가를 행하였다. 결과를 표 1에 나타낸다.
(비교예 1 ~ 2)
정극 활물질로서, 테레프탈산구리(II) 3수화물(비교예 1), 합성예 9에서 얻어진 전극 재료(비교예 2)를 사용한 것 이외에는, 실시예 1과 동일하게 하여 축전 디바이스인 리튬 이온 이차 전지를 얻었다. 얻어진 전지에 대하여, 상기에 따라 평가를 행하였다. 결과를 표 1에 나타낸다.
표 중,
「PTFE」는, 폴리테트라플루오로에틸렌을,
「CMC」는, 카르복시메틸셀룰로오스를,
「SBR」은, 스티렌 부타디엔 고무를,
「EO」는, 에틸렌옥사이드를,
「PO」는, 프로필렌옥사이드를,
「AGE」는, 알릴글리시딜에테르를,
「PEO」는, 폴리에틸렌옥사이드를,
「LIB」는, 리튬 이온 이차 전지를,
「EDLC」는, 전기 이중층 커패시터를,
「MgIB」는, 마그네슘 이온 이차 전지를,
각각 나타낸다.
Figure pct00002
표 1로부터, 적어도 1종의 전이금속 이온과, 그 전이금속 이온과 배위 가능한 2개 이상의 관능기(A)를 갖는 동시에 산화 환원성을 갖는 관능기(B)를 2쌍 이상 갖는 배위자를 사용한 실시예 1 ~ 17의 리튬 이온 이차 전지는, 사이클 특성이 우수한 것을 알 수 있다. 또한, 실시예 16의 전기 이중층 커패시터의 경우에는, 전지 양식이 다른 실시예와 비교하여 상대적으로 작은 방전 용량이 얻어지는 것이 예상되며, 실제로 다른 실시예보다 작은 방전 용량값이 얻어졌다. 그러나, 이러한 방전 용량값은 종래의 커패시터 양식의 축전 디바이스를 상정한 경우에는, 충분히 높은 방전 용량값이었다. 또한, 용량 유지율에 관해서는, 실시예 16의 전기 이중층 커패시터는 100%로, 매우 양호하였던 것을 알 수 있다. 또한, 실시예 17의 마그네슘 이온 이차 전지에 대해서도, 사이클 특성이 우수하였던 것을 알 수 있다.
한편, 산화 환원성을 갖는 관능기(B)의 쌍을 갖지 않는 비교예 1, 및 전극 재료가 전이금속 이온을 포함하지 않는 비교예 2에서는, 사이클 특성이 우수한 축전 디바이스가 얻어지지 않은 것을 알 수 있다.
산업상 이용가능성
본 발명에 의하면, 축전 디바이스의 전극 재료로서 사용된 경우에, 사이클 특성이 우수한 축전 디바이스를 제공 가능한 전극 재료를 제공할 수 있다.
또한, 본 발명에 의하면, 사이클 특성이 우수한 축전 디바이스를 형성할 수 있는 전극, 및 이러한 전극의 제조에 사용할 수 있는 슬러리 조성물을 제공할 수 있다.
또한, 본 발명에 의하면, 사이클 특성이 우수한 축전 디바이스를 제공할 수 있다.

Claims (10)

  1. 적어도 1종의 전이금속 이온과, 그 전이금속 이온과 배위 가능한 2개 이상의 관능기(A)를 갖는 동시에 산화 환원성을 갖는 관능기(B)의 공액쌍을 2쌍 이상 갖는 배위자를 함유하는 착물(錯體)을 포함하고,
    2개 이상의 상기 관능기(A)는 동일해도 되고 상이해도 되며,
    2쌍 이상의 상기 관능기(B)의 공액쌍은 동일해도 되고 상이해도 되며, 또한,
    상기 관능기(A)의 적어도 일부와 상기 관능기(B)의 적어도 일부가 동일해도 되고 달라도 되는,
    전극 재료.
  2. 제 1 항에 있어서,
    결정성을 갖는, 전극 재료.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 착물의 단위 구조 중의, 상기 전이금속 이온 1개당의 수화수의 수가 0.50 이하인, 전극 재료.
  4. 활물질로서, 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 기재된 전극 재료를 포함하는 전극.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 전극 중에 함유되는 상기 착물의 단위 구조 중의, 상기 전이금속 이온 1개당의 수화수의 수가 0.50 이하인, 전극.
  6. 전해질과, 제 4 항 또는 제 5 항에 기재된 전극을 포함하는 축전 디바이스.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 전해질이, 상기 전극 재료를 불용인, 축전 디바이스.
  8. 제 6 항 또는 제 7 항에 있어서,
    상기 전극의 대향극을 더 포함하고, 그 대향극이, 1종의 금속, 또는 복수종의 금속을 함유하여 이루어지는 합금을 포함하는, 축전 디바이스.
  9. 제 6 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 전극이, 셀룰로오스계 중합체 및 폴리에테르계 중합체 중 적어도 일방을 더 포함하는, 축전 디바이스.
  10. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 기재된 전극 재료와, 셀룰로오스계 중합체 및 폴리에테르계 중합체 중 적어도 일방을 포함하는, 슬러리 조성물.
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