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JP4830207B2 - battery - Google Patents
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JP4830207B2 - battery - Google Patents

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、少なくとも正極、負極、及び電解質を構成要素とする電池に関する。より詳細には、少なくとも正極、負極、及び電解質を構成要素とし、電気化学的酸化反応及び還元反応の少なくとも一方の過程でラジカル化合物を生成する有機化合物を活物質として含む粒子を有する電池であって、該粒子が少なくとも2以上の組成の領域からなる複合物であり、エネルギー密度が高く、大容量で安定性に優れた二次電池に関する。
【0002】
【従来の技術】
電池は、正極及び負極で起きる酸化還元反応を利用して化学エネルギーを電気エネルギーへと変換して取り出したり、又は電気エネルギーを化学エネルギーへと変換して貯蔵するものであり、各種の装置において電源として利用されている。
近年、ノート型パソコン、携帯電話などの急速な市場拡大に伴い、これらに用いられるエネルギー密度の高い小型大容量電池への要求が高まっている。そして、この要求に応えるために、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て、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。中でも、リチウムイオン二次電池は、安定性に優れたエネルギー密度の高い大容量電池として種々の電子機器に利用されている。
【0003】
このようなリチウムイオン二次電池では、例えば、活物質として正極にリチウム含有遷移金属酸化物、負極に炭素材料が用いられており、これらの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。
【0004】
しかしながら、このリチウムイオン二次電池は、正極の活物質として比重の大きな遷移金属酸化物を用いているため、単位質量当たりの電池容量が充分ではないという問題があった。すなわち、大容量電池の製造が原理的に困難であった。
【0005】
そこで、より軽量の電極材料を用いて大容量電池を開発しようとする試みが検討されてきた。例えば、米国特許第4,833,048号、及び特許第2715778号には、ジスルフィド結合を有する有機化合物を、正極の活物質に用いた電池が開示されている。これはジスルフィド結合の生成及び解離に基づく有機化合物の電気化学的な酸化還元反応を電池の原理として利用したものである。
【0006】
しかしながら、この電池は、硫黄や炭素といった比重の小さな元素を主成分とする有機化合物を電極材料に用いているので、エネルギー密度の高い大容量電池を構成するという点では一定の効果を奏するものの、解離したジスルフィド結合の再結合効率が小さく、充電状態又は放電状態における安定性が不充分であるという問題があった。
さらに、ジスルフィド結合を有する有機化合物は、電子伝導性を有していないため、ポリアニリンや導電性カーボン等の他の導電性材料と組み合わせて用いる必要があった。
【0007】
また、同じく有機化合物を活物質に利用した電池として、導電性高分子を電極材料に用いた電池が提案されている。これは導電性高分子に対する電解質イオンのドープ反応及び脱ドープ反応を原理とした電池である。
なお、ここで述べるドープ反応とは、導電性高分子を電気化学的に酸化又は還元する反応によって生じる荷電ソリトンやポーラロン等のエキシトンを、対イオンによって安定化させる反応と定義される。一方、脱ドープ反応とは、ドープ反応の逆反応、すなわち、対イオンによって安定化されたエキシトンを、電気化学的に酸化又は還元する反応と定義される。
【0008】
米国特許第4,442,187号には、このような導電性高分子を正極又は負極の活物質とする電池が開示されている。この電池は、炭素や窒素といった比重の小さな元素のみからなる有機化合物を電極材料に用いているため、大容量電池として開発が期待されていた。
【0009】
しかしながら、導電性高分子には、電気化学的な酸化還元反応によって生じるエキシトンが、π電子共役系の広い範囲に亘って非局在化し、それらが相互作用するという性質があり、発生するエキシトンの濃度にも限界が生じるため、電池の容量が制限されるという問題があった。
【0010】
したがって、このような導電性高分子を電極材料とする電池では、電池の軽量化という点では一定の効果が得られるものの、電池の大容量化という点においては、依然として不充分であった。
【0011】
一方、ラジカル反応を用いた高分子化合物等の有機化合物の合成方法が開発されており、様々な材料の開発に利用されている。
しかしながら、ラジカル反応は、一般的に他の化学反応と比べて反応性が高く、その制御が困難なことから、これまで電池などのエネルギー貯蔵デバイスへの適用は詳細に検討されていなかった。
【0012】
ここで、ラジカル反応とは、ラジカルが関与する化学反応のことであり、特に本発明においては、電気化学的酸化反応及び還元反応の少なくとも一方の過程において、非ラジカル化合物である有機化合物がラジカル化合物を生成する反応、及び生成したラジカル化合物が非ラジカル化合物へと変換される反応の両者を含むものと定義される。
【0013】
以上述べてきたように、大容量の電池を実現するために、様々な種類の電池が提案されているが、エネルギー密度が高く、大容量で安定性に優れた電池は未だ確立されていない。
また、上記ラジカル反応を、電池等のエネルギー貯蔵デバイスに適用する検討についても、ラジカル化合物が不安定であるため積極的には行われていない。
【0014】
【発明が解決しようとする課題】
そこで、本発明者らは鋭意検討した結果、電池の充放電反応である電気化学的酸化反応及び還元反応の少なくとも一方の過程で、上記ラジカル反応によりラジカル化合物を生成する有機化合物を含む粒子を、少なくとも2以上の組成の領域からなる複合物とすることにより、当該粒子を電池等のエネルギー蓄積装置の活物質として利用できることを見出した。
【0015】
したがって、本発明は、このようなラジカル化合物を生成する有機化合物を活物質として含む粒子を、少なくとも2以上の組成の領域からなる複合物とすることにより、エネルギー密度が高く、大容量で安定性に優れた電池を提供することを目的としている。
【0016】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するため、本発明によれば、少なくとも正極、負極、及び電解質を構成要素とし、電気化学的酸化反応及び還元反応の少なくとも一方の過程でラジカル化合物を生成する有機化合物を活物質として含む粒子を有する電池であって、前記粒子が少なくとも2以上の組成の領域からなる複合物である電池が提供される。
【0017】
このように構成することにより、ラジカル化合物を炭素、水素、窒素、及び酸素等のような比重の小さな元素のみから構成できるため、単位質量あたりのエネルギー密度が高く、大容量で安定性に優れた電池を容易に得ることができる。
【0018】
また、上記粒子を少なくとも2以上の組成の領域からなる複合物とすると、電気化学的酸化反応及び還元反応の少なくとも一方の過程でラジカル化合物を生成する有機化合物の崩壊や電解液への溶解が抑制される結果、ラジカル化合物を生成する有機化合物が安定な状態で酸化還元反応を行なうことにより、ラジカル化合物を生成する有機化合物単独の場合や2以上の組成を均一に混合させた場合に比べて、充放電サイクルに伴う容量の低下が抑制されて、より高電流密度での充放電が可能となるために電池として効率的に動作するようになると考えられる。
【0019】
なお、本発明において、ラジカル化合物とは、電子対を形成していない不対電子を有する化学種、すなわちラジカルを有する化合物と定義される。ラジカルは、スピン核運動量がゼロではなく、常磁性等の種々の磁気的性質を有しており、一般に、熱分解、光分解、放射線分解、及び電子の授受等により、分子内の化学結合が切断されて生成する。また、ラジカルは化学反応性が極めて高い絶縁体であり、速やかにラジカル同士又は他の安定な分子との反応によってその反応性が変化する。このようなラジカルの存在は、電子スピン共鳴スペクトル(以下、ESRスペクトルと称する。)等の測定によって観察することができる。
【0020】
また、本発明において、電気化学的酸化反応及び還元反応とは、電解質溶液中に配置された電極と電気的に接続された活物質に対して、電圧を印加したり負荷を与えて短絡させたときに進行する電子の授受を伴う反応と定義される。
【0021】
したがって、本発明の電気化学的酸化反応及び還元反応の少なくとも一方の過程でラジカル化合物を生成する有機化合物を活物質として含む粒子を有する電池とは、活物質に電圧を印加したり負荷を与えて短絡させたときに進行する電子の授受を伴う反応でラジカル化合物を生成する有機化合物を含む粒子を有する電池と定義される。
【0022】
また、本発明の電池を構成するにあたり、上記ラジカル化合物のESRスペクトルにおけるスピン濃度が1020スピン/g以上であることが好ましい。
このようなスピン濃度とすることにより、エネルギー密度が高く、大容量で安定性に優れた電池を容易に得ることができる。
【0023】
また、本発明の電池を構成するにあたり、上記粒子が、上記電気化学的酸化反応及び還元反応の少なくとも一方の過程でラジカル化合物を生成する有機化合物と、上記電子伝導性の導電性物質とが一体化した粒子であることが好ましい。
このように構成することにより、電気化学的酸化反応及び還元反応が円滑に進行し、高出力の電池とすることができる。
【0024】
また、本発明の電池を構成するにあたり、上記粒子が、高分子物質を結着材として用い一体化してあることが好ましい。
高分子物質を結着材に用いることにより、電池動作の際に粒子の変形が起こった場合でも結着が維持され、サイクル寿命が優れたものとなる。
【0025】
また、本発明の電池を構成するにあたり、上記粒子において、上記電子伝導性の導電性物質が、上記電気化学的酸化反応及び還元反応の少なくとも一方の過程でラジカル化合物を生成する有機化合物で被覆してあることが好ましい。
このように被覆することにより、ラジカル化合物を生成する有機化合物の表面積を拡大することができるため、大きな出力密度の電池を得ることができる。
【0026】
また、本発明の電池を構成するにあたり、上記粒子において、上記電気化学的酸化反応及び還元反応の少なくとも一方の過程でラジカル化合物を生成する有機化合物が、上記電子伝導性の導電性物質で被覆してあることが好ましい。
このように被覆することにより、内部抵抗の小さな低インピーダンスの電池を得ることができる。
【0027】
また、本発明の電池を構成するにあたり、上記電子伝導性の導電物質が導電性高分子であることが好ましい。
導電性高分子を用いることにより、ラジカル化合物を生成する有機化合物との密着性が良好となり、大きな出力密度の電池を得ることができる。
【0028】
また、本発明の電池を構成するにあたり、上記電子伝導性の導電物質がグラファイト又は非晶質カーボンであることが好ましい。
グラファイト又は非晶質カーボンを用いることにより、内部抵抗の小さな低インピーダンスの電池を得ることができる。
【0029】
また、本発明の電池を構成するにあたり、上記粒子の平均粒径が0.1〜500μmであることが好ましい。
このような平均粒径とすることにより、安定性に優れた大容量の電池を容易に得ることができる。
【0030】
また、本発明の電池を構成するにあたり、かかる電池がリチウム二次電池であることが好ましい。
このように構成することにより、安定性に優れた大容量の電池を得ることができる。
【0031】
【発明の実施の形態】
本発明の電池の実施形態は、例えば、図1に示すように、負極層1と正極層2とを、電解質を含んだセパレーター5を介して重ね合わせた構造を有している。本発明では、負極層1又は正極層2において、電気化学的酸化反応及び還元反応の少なくとも一方の過程でラジカル化合物を生成する有機化合物を活物質として含む粒子を有しており、該粒子が、少なくとも2以上の組成の複合物からなっている。
【0032】
また、図2に積層型電池の断面図を示すが、その構造は負極集電体3、負極層1、電解質を含んだセパレーター5、正極層2、及び正極集電体4を順に重ね合わせた構造を有している。
【0033】
なお、本発明では、正極層及び負極層の積層方法は特に限定されず、多層積層したものや集電体の両面に積層したものを組み合わせたもの、巻回したもの等が利用できる。
【0034】
(1)活物質
▲1▼材料1(ラジカル化合物)
本発明において、電気化学的酸化反応及び還元反応の少なくとも一方の過程で生成するラジカル化合物の種類は特に限定されるものではないが、発明の効果の面、及び電極層を形成する場合の加工性に優れることから、特に下記一般式(1)及び一般式(2)又はいずれか一方の一般式で表される構造単位を含む有機化合物が好ましい。
【0035】
【化1】
【0036】
[一般式(1)中、置換基R1は、置換もしくは非置換のアルキレン基、アルケニレン基、又はアリーレン基であり、Xは、オキシラジカル基、ニトロキシルラジカル基、硫黄ラジカル基、ヒドラジルラジカル基、炭素ラジカル基、又ははホウ素ラジカル基である。]
【0037】
【化2】
【0038】
[一般式(2)中、置換基R2およびR3は相互に独立であり、置換もしくは非置換のアルキレン基、アルケニレン基、又はアリーレン基であり、Yはニトロキシルラジカル基、硫黄ラジカル基、ヒドラジルラジカル基、又は炭素ラジカル基である。]
【0039】
このようなラジカル化合物としては、例えば、オキシラジカル化合物、ニトロキシルラジカル化合物、炭素ラジカル化合物、窒素ラジカル化合物、ホウ素ラジカル化合物、及び硫黄ラジカル化合物などが挙げられる。
【0040】
上記オキシラジカル化合物の具体例としては、例えば下記一般式(3)〜(4)のようなアリールオキシラジカル化合物や、下記一般式(5)のようなセミキノンラジカル化合物等が挙げられる。
【0041】
【化3】
【0042】
[一般式(3)〜(5)中、置換基R4〜R7は相互に独立であり、水素原子、置換もしくは非置換の脂肪族あるいは芳香族炭化水素基、ハロゲン基、ヒドロキシル基、ニトロ基、ニトロソ基、シアノ基、アルコキシ基、アリールオキシ基、又はアシル基である。]
【0043】
また、上記ニトロキシルラジカル化合物の具体例としては、下記一般式(6)のようなピペリジノキシ環を有するラジカル化合物、下記一般式(7)のようなピロリジノキシ環を有するラジカル化合物、下記一般式(8)のようなピロリノキシ環を有するラジカル化合物、及び下記一般式(9)のようなニトロニルニトロキシド構造を有するラジカル化合物が挙げられる。
【0044】
【化4】
【0045】
[一般式(6)〜(9)中、R8〜R10は上記一般式(3)〜(5)の内容と同様である。]
【0046】
また、上記窒素ラジカル化合物の具体例としては、下記一般式(10)のような三価のヒドラジル基を有するラジカル化合物、下記一般式(11)のような三価のフェルダジル基を有するラジカル化合物、及び下記一般式(12)のようなアミノトリアジン構造を有するラジカル化合物が挙げられる。
【0047】
【化5】
【0048】
[一般式(10)〜(12)中、R11〜R19は上記一般式(3)〜(5)の内容と同様である。]
【0049】
なお、本発明では、上記のようなラジカル化合物をそのまま電極の活物質に使用して電池を製造することも、電気化学的酸化反応及び還元反応の少なくとも一方の過程でラジカル化合物へと変換される非ラジカル化合物を使用して電池を製造することもできる。
【0050】
また、本発明では、生成するラジカルの濃度は特に限定されないが、ESRスペクトルにおけるスピン濃度が、1020スピン/g以上であることが好ましい。この理由は、ラジカルの濃度が1020スピン/g未満になると、電池の容量が小さくなり、電池の大容量化という本発明の効果が得られなくなる場合があるためである。したがって、電池の大容量化の観点から、ラジカルの濃度を1020〜1023スピン/gの範囲内の値とすることがより好ましい。
【0051】
ただし、本発明では、ESRスペクトルでシグナルが得られる有機化合物であっても、非局在化した電子を有する化合物はラジカル化合物には含まれない。このような化合物としては、ソリトン又はポーラロンを形成した導電性高分子等が挙げられる。なお、これらの化合物のスピン濃度は一般に低く、1020スピン/g以下である。
【0052】
本発明では、電気化学的酸化反応及び還元反応の少なくとも一方の過程でラジカル化合物を生成する有機化合物を、正極及び負極又はいずれか一方の電極の活物質として使用することができるが、エネルギー密度の観点から、特に正極の電極活物質として使用することが好ましい。
【0053】
▲2▼材料2
また、これらのラジカル化合物を正極及び負極のいずれか一方の電極の活物質として用いる場合には、以下に挙げる材料を他の電極の活物質として用いることができる。すなわち、負極層の活物質としてラジカル化合物を生成する有機化合物を用いる場合には、正極層の活物質として金属酸化物粒子、ジスルフィド化合物、及び導電性高分子等が用いられる。ここで、金属酸化物としては、例えば、LiMnO2 、LixMn24(0<x<2)等のマンガン酸リチウムもしくはスピネル構造を有するマンガン酸リチウム、MnO2 、LiCoO2 、LiNiO2 、又はLix25(0<x<2)等が、ジスルフィド化合物としては、ジチオグリコール、2,5−ジメルカプト−1,3,4−チアジアゾール、S−トリアジン−2,4,6−トリオール等が、また、導電性高分子としては、ポリアセチレン、ポリフェニレン、ポリアニリン、ポリピロール等がそれぞれ挙げられる。
本発明では、これらの正極材料を一種単独または二種以上を組み合わせて使用することができる。
また、本発明では上記の従来公知の活物質とラジカルを生成する有機化合物を混合して複合活物質とすることもできる。
【0054】
一方、正極層の活物質としてラジカル化合物を生成する有機化合物を用いる場合には、負極層の活物質として、グラファイト、非晶質カーボン、リチウム金属、リチウム合金、及び導電性高分子等の一種単独または二種以上の組み合わせが用いられる。
また、これらの形状としては特に限定されず、例えば、リチウム金属では薄膜状のもの以外に、バルク状のもの、粉末を固めたもの、繊維状のもの、フレーク状のもの等を使用することができる。
【0055】
(2)活物質粒子
(i)組成
本発明の電池は、上記ラジカル化合物を生成する有機化合物を活物質として含む粒子(以下、活物質粒子と称する場合がある。)を有しており、この粒子は、少なくとも2以上の組成の領域からなる複合物から構成されている。この複合物は、少なくとも2種類以上の組成が、それぞれの領域を保持したまま組み合わされて一つの粒子を形成しており、本発明では、その少なくとも一つの領域の組成として、上記ラジカル化合物を生成する有機化合物が含まれている。
したがって、少なくとも2以上の組成を混合して、それぞれの領域を全体に均一に分散させたものは複合物には含まれない。
【0056】
本発明では、ラジカル化合物を生成する有機化合物の領域以外の領域の組成は特に限定されないが、発明の効果の面から、電子伝導性の導電性物質、並びにラジカル化合物を生成する有機化合物の溶解防止剤、安定化剤、及び固定化担体等の材料を用いることが好ましい。このうち、電子伝導性の導電性物質としては、例えば、グラファイトや非晶質カーボン、金属、ポリアニリンやポリピロール等の導電性高分子、又はテトラシアノキノジメタン−テトラチアフルバレン錯体等の導電性有機錯体等が挙げられる。また、ラジカル化合物を生成する有機化合物の溶解防止剤及び安定化剤としては、例えば、ポリエチレンやポリビニルアルコール、ポリテトラフルオロエチレン、ポリウレタン等の高分子化合物等が挙げられる。また、ラジカル化合物を生成する有機化合物の固定化単体としては、例えば、上記高分子化合物やゼオライト等が挙げられる。
【0057】
本発明では、少なくとも2種類以上の組成の領域の組み合わせの様式は特に限定されるものではなく、それぞれの領域を偏在させた組み合わせ及びモザイク状にした組み合わせ、一方の領域をもう一方の領域で被覆するような組み合わせ、一方の領域をもう一方の小領域で取り巻いたような組み合わせ、並びに一方の領域の中にもう一方の領域を細かく分散させたような組み合わせ等の一種単独又は二種以上の組み合わせが挙げられる。
【0058】
このような組み合わせの例を図3(a)〜(d)に示す。ここで、(a)はラジカル化合物8の領域を導電性物質9の領域で被覆した組み合わせ、(b)は導電性物質9の領域をラジカル化合物8の領域で被覆した組み合わせ、(c)はラジカル化合物8の領域を導電性物質9の小領域で取り巻いた組み合わせ、(d)は導電性物質9の領域をラジカル化合物8の小領域で取り巻いた組み合わせである。
【0059】
(ii)一体化
本発明では、活物質粒子を構成する少なくとも2以上の組成の領域を上記のように組み合わせて一体化することが好ましい。この場合、一体化の方法は特に限定されるものではなく、2以上の組成の領域が単純に接触して一体化する方法や、高分子物質を結着材に用いて一体化する方法等を用いることができる。結着材に用いられる高分子物質としては、例えば、ポリエチレンやポリプロピレンの酸変性物、ポリビニルアルコール、ポリ酢酸ビニル、及びポリウレタン等の高分子、並びにテトラフルオロエチレン、及びポリフッ化ビニリデン等のフッ素系高分子等の一種単独又は二種以上の組み合わせが挙げられる。
【0060】
(iii)平均粒径
本発明では、活物質粒子の平均粒径を0.1〜500μmとすることが好ましい。この理由は、平均粒径が0.1μm未満になると、粒子の凝集が起こり易く、電解質との混合が不十分となって内部抵抗が大きくなる場合があるためであり、500μmを超えると、活物質粒子内部からの電荷の移動速度が小さいために容量が取り出しにくくなる場合があるためである。
また、この理由により、活物質粒子の平均粒径を0.1〜50μmとすることがより好ましく、0.5〜10μmとすることがさらに好ましい。
【0061】
(iv)組成割合
本発明では、活物質粒子の組成割合は特に制限されるものではないが、活物質粒子全体の重量を100重量%としたときに、ラジカル化合物を生成する有機化合物の含有率を10〜99重量%とすることが好ましい。この理由は、ラジカル化合物を生成する有機化合物の含有率が10重量%未満になると、容量が小さくなってしまい、大容量の電池という本発明の特徴が失われる場合があるためであり、99重量%を超えると、内部抵抗が大きくなってインピーダンスが大きくなる場合があるためである。
また、この理由によりラジカル化合物を生成する有機化合物の含有率を50〜99重量%とすることがより好ましく、80〜97重量%とすることがさらに好ましい。
【0062】
(3)電極構成材料
本発明では、電極反応をより円滑に行うために、従来の電池に用いられている導電補助材や樹脂バインダーを用いることができる。このような導電補助材としてはアセチレンブラック等の炭素質微粒子、ファイバー等が挙げられる。また、樹脂バインダーとしてはポリフッ化ビニリデン、ビニリデンフロライド−ヘキサフルオロプロピレン共重合体、スチレン−ブタジエン共重合体エラストマー、ポリプロピレン、ポリイミド、各種ウレタン等が挙げられる。
【0063】
本発明では、従来の電池と同様に、電極活物質から発生する電荷を集めるために集電体を用いることができる。これらの材料として、ニッケル、アルミニウム、銅、金、銀、およびステンレス等の金属箔、金属平板、メッシュ状電極、及び炭素電極等を用いることができる。また、このような集電体に触媒効果を持たせたりすることもできる。
【0064】
(4)セパレーターおよび封止材
本発明におけるセパレーター5は、正極層と負極層が接触しないようにするものであり、多孔質フィルム、不織布などの材料を用いることができる。さらにこのようなセパレーターは、電解質を含ませて構成することも好ましい。
ただし、上記の電解質として、イオン伝導性高分子を用いる場合には、セパレーターそのものを省略することもできる。
また、本発明における封止材6についても、特に制限されるものではなく、電池の外装に用いられる従来公知の材料が用いられる。
【0065】
(5)電解質
本発明において、電解質は、負極層1と正極層2の両極間の荷電担体輸送を行うものであり、一般には室温で10-5〜10-1S/cmのイオン伝導性を有している。
本発明では、電解質として、例えば、電解質塩を溶剤に溶解した電解液を利用することができる。このような電解質塩としては、例えば、LiPF6 、LiClO4 、LiBF4 、LiCF3SO3 、Li(CF3SO2)2N、Li(C25SO2)2N、Li(CF3SO2)3C、Li(C25SO2)3C等の従来公知の材料を用いることができる。
また、電解質塩の溶剤としては、例えば、エチレンカーボネート、プロピレンカーボネート、ジメチルカーボネート、ジエチルカーボネート、メチルエチルカーボネート、γ−ブチロラクトン、テトラヒドロフラン、ジオキソラン、スルホラン、ジメチルホルムアミド、ジメチルアセトアミド、N−メチル−2−ピロリドン等の有機溶媒を用いることができる。なお、本発明では、これらの溶剤を一種単独または二種以上の混合溶剤として用いることもできる。
【0066】
さらに、本発明では、電解質として固体電解質を用いることもできる。このような固体電解質に用いられる高分子化合物としては、ポリフッ化ビニリデン、フッ化ビニリデン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体、フッ化ビニリデン−エチレン共重合体、フッ化ビニリデン−モノフルオロエチレン共重合体、フッ化ビニリデン−トリフルオロエチレン共重合体、フッ化ビニリデン−テトラフルオロエチレン共重合体、フッ化ビニリデン−ヘキサフルオロプロピレン−テトラフルオロエチレン三元共重合体等のフッ化ビニリデン系重合体や、アクリロニトリル−メチルメタクリレート共重合体、アクリロニトリル−メチルアクリレート共重合体、アクリロニトリル−エチルメタクリレート共重合体、アクリロニトリル−エチルアクリレート共重合体、アクリロニトリル−メタクリル酸共重合体、アクリロニトリル−アクリル酸共重合体、アクリロニトリル−ビニルアセテート共重合体等のアクリルニトリル系重合体、さらにポリエチレンオキサイド、エチレンオキサイド−プロピレンオキサイド共重合体、これらのアクリレート体やメタクリレート体の重合体などが挙げられる。なお、固体電解質は、これらの高分子化合物に電解液を含ませてゲル状にしたものを用いても、高分子化合物のみでそのまま用いてもよい。
【0067】
(6)形状
また、電池の形状についても、特に限定されず、円筒型電池、コイン型電池、角型電池、フィルム型電池、ボタン型電池等の形状に適用することができる。
【0068】
【実施例】
以下、本発明について、より具体的に説明するが、本発明はこれら実施例に限定されるものではない。
【0069】
(実施例1)
(1)電池の作製
ガス精製装置を備えたドライボックス中で、アルゴンガス雰囲気下、ガラス製容器に下記式(13)で表されるガルビノキシルラジカル100mgを入れ、テトラヒドロフラン(以下、THFと略記する。)200mgを加えて溶解した。この溶液に平均粒径2μmのグラファイト粒子10mgを投入し、全体をろ紙上に展開してTHFを蒸発させた。その後、ろ紙上の固形物をかき取ったところ、ガルビノキシルラジカルで被覆された平均粒径2.1μmのグラファイト粒子が得られた。この粒子のESRスペクトルを測定したところ、そのスピン濃度は1020スピン/g以上であった。
【0070】
【化6】
【0071】
続いて、得られた粒子110mgを、リード線を備えたアルミニウム箔(面積:1.5cm×1.5cm、厚さ:100μm)の表面に置き、ワイヤーバーで全体が均一な厚さとなるように展開し、テフロン板を被せて20MPaの圧力で加圧したところ、アルミニウム箔上にガルビノキシルラジカルで被覆されたグラファイト粒子からなる電極層が形成された。
【0072】
次に、フッ化ビニリデン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体600mgと、1mol/lのLiPF6 を電解質塩として含んだジメチルカーボネート溶液からなる電解液1,400mgとを混合し、これにTHF11.3gをさらに加えて室温で攪拌した。フッ化ビニリデン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体が溶解した後、段差をつけたガラス板上にこの溶液を塗布し、室温で一時間放置してTHFを自然乾燥させ、厚さ1mmのゲル電解質のキャストフィルム(以下、ゲル電解質膜と称する。)を得た。
【0073】
次に、ガルビノキシルラジカルで被覆されたグラファイト粒子からなる電極層を形成したアルミニウム箔上に、20mm×20mmに切り出したゲル電解質膜を積層し、さらに、リード線を備えたリチウム張り合わせ銅箔(リチウム箔の膜厚30μm、銅箔の膜厚20μm)を重ね合わせた後、全体を厚さ5mmのポリテトラフルオロエチレン製シートで挟み、圧力を加えて電池を作製した。
【0074】
(2)電池の評価
以上のように作製した電池を試料として、ガルビノキシルラジカルで被覆されたグラファイト粒子からなる電極を正極、リチウム張り合わせ銅箔を負極として、0.1mAの定電流で放電を行った。その結果、2.3V付近に電圧平坦部が認められ、電池として動作していることが確認された。さらに、この電池を繰り返し充放電したところ、100サイクル後の容量は、初期容量の80%以上であり、この電池が、充放電可能な二次電池として動作することが確認された。
【0075】
(比較例1)
(1)電池の作製
実施例1と同様の条件でガルビノキシルラジカルをTHFに溶解し、そのままグラファイト粒子に被覆することなく、実施例1で用いたアルミニウム箔に展開し、THFを蒸発させて乾燥したところ、アルミニウム箔上にガルビノキシルラジカルからなる電極層が形成された。
次に、ガルビノキシルラジカルからなる電極層を形成したアルミニウム箔上に、実施例1と同様にゲル電解質膜を積層し、リチウム張り合わせ銅箔を重ね合わせた後、圧力を加えて電池を作製した。
【0076】
(2)電池の評価
以上のように作製した電池を試料として、ガルビノキシルラジカルからなる電極を正極、リチウム張り合わせ銅箔を負極として、0.1mAの定電流で放電を行った。その結果、2.3V付近に電圧平坦部がわずかに認められ、電池として動作することが確認されたが、放電後、直ちに電圧が低下し、容量が実施例1の10%以下になった。さらに、この電池を繰り返し充放電したところ、10サイクル後の容量が、初期容量の50%以下となり、二次電池としては、サイクル寿命に劣ることが確認された。
【0077】
(比較例2)
(1)電池の作製
実施例1のガラス製容器に電解質塩として1mol/lのLiPF6を含む1.5gのTHFを入れ、100mgのガルビノキシルラジカルを溶解した。この溶液に実施例1で用いたグラファイト粒子10mgとフッ化ビニリデン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体1mgとを加え、黒色のスラリーを得た。
このスラリーをリード線を備えたアルミニウム箔(面積:1.5cm×1.5cm、厚さ:100μm)に上に展開し、ワイヤーバーで全体を均一な厚さにした後、これを室温で乾燥させたところ、アルミニウム箔上にガルビノキシルラジカルを含む電極層が形成された。この電極層は、ガルビノキシルラジカルを均一に溶解したフッ化ビニリデン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体からなる媒体中にグラファイト粒子が分散したものと推定された。
【0078】
次に、ガルビノキシルラジカルを含む電極層を形成したアルミニウム箔に、実施例1と同様にゲル電解質を積層し、リチウム張り合わせ銅箔を重ね合わせた後、圧力を加えて電池を作製した。
【0079】
(2)電池の評価
以上のように作製した電池を試料として、ガルビノキシルラジカルを含む電極層を正極、リチウム張り合わせ銅箔を負極として、0.1mAの定電流で放電を行った。その結果、2.3V付近に電圧平坦部が認められ、電池として動作することが確認されたが、その後、電圧が徐々に低下し、容量は実施例1の70%以下になった。さらに、この電池を繰り返し充放電したところ、50サイクル後の容量が、初期容量の50%以下となり、二次電池としては、サイクル寿命に劣ることが確認された。
【0080】
(比較例3)
(1)電池の作製
実施例1のガラス製容器に電解質塩として1mol/lのLiPF6を含む1.5gのTHFを入れ、これに実施例1で用いたグラファイト粒子10mgとフッ化ビニリデン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体6mgとを加えて、ガルビノキシルラジカルを含まない黒色のスラリーを得た。
このスラリーを比較例2と同様の方法でアルミニウム箔上に展開し、乾燥させて電極層を形成した。
次に、このアルミニウム箔上の電極層に、実施例1と同様にゲル電解質を積層し、リチウム張り合わせ銅箔を重ね合わせた後、圧力を加えて電池を作製した。
【0081】
(2)電池の評価
以上のように作製した電池を試料として、アルミニウム箔上の電極層を正極、リチウム張り合わせ銅箔を負極として、0.1mAの定電流で放電を行った。その結果、電圧平坦部は認められず、電池として動作しないことが確認された。
【0082】
(実施例2)
(1)電池の作製
実施例1のグラファイト粉末に代えて平均粒径2μmのポリアニリン粉末を使う以外は実施例1と同様の方法で、ガルビノキシルラジカルで被覆した平均粒径2.2μmのポリアニリン粒子を得た。このポリアニリン粒子のESRスペクトルを測定したところ、そのスピン濃度は1020スピン/g以上であった。
【0083】
この粒子を、実施例1と同様の方法でアルミニウム箔上に展開し、圧力をかけて、ガルビノキシルラジカルで被覆されたポリアニリン粒子からなる電極層を形成した。
次に、ガルビノキシルラジカルで被覆されたポリアニリン粒子からなる電極層を形成したアルミニウム箔上に、実施例1と同様にゲル電解質を積層し、リチウム張り合わせ銅箔を重ね合わせた後、圧力を加えて電池を作製した。
【0084】
(2)電池の評価
以上のように作製した電池を試料として、ガルビノキシルラジカルで被覆されたポリアニリン粒子からなる電極を正極、リチウム張り合わせ銅箔を負極として、0.1mAの定電流で放電を行った。その結果、2.3V付近に電圧平坦部が認められ、電池として動作していることが確認された。さらに、この電池を繰り返し充放電したところ、100サイクル後の容量は、初期容量の80%以上であり、この電池が充放電可能な二次電池として動作することが確認された。
【0085】
(実施例3)
(1)電池の作製
実施例1のガラス製容器に電解質塩として1mol/lのLiPF6を含む1.5gのTHFを入れ、100mgのガルビノキシルラジカルを溶解した。この溶液に実施例1で用いたフッ化ビニリデン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体600mgを加えてスラリーとした。このスラリーを0.1重量%の非イオン系界面活性剤(花王(株)製、エマルゲン109P(商品名))を含む大量の水中に投入し、強く攪拌してガルビノキシルラジカルとフッ化ビニリデン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体からなる粒子の分散液を作製した。
【0086】
次に、この分散液に実施平均粒径0.1μmのグラファイト粒子を投入して12時間静置したところ、ガルビノキシルラジカルとフッ化ビニリデン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体からなる粒子、及びグラファイト粒子が沈殿した。次いで、上澄みを取り除き、残ったスラリーをろ紙上に展開してTHFを蒸発させた。その後、ろ紙表面から固形物をかき取ったところ、表面がグラファイト微粒子で被覆された平均粒径5μmの粒子が得られた。この粒子はガルビノキシルラジカルを含んでおり、ESRスペクトルを測定したところ、そのスピン濃度は1020スピン/g以上であった。
この粒子を、実施例1と同様の方法でアルミニウム箔上に展開し、圧力をかけてグラファイト粒子で被覆されたガルビノキシルラジカルからなる電極層を形成した。
【0087】
次に、グラファイト粒子で被覆されたガルビノキシルラジカルの粒子からなる電極層を形成したアルミニウム箔に、実施例1と同様にゲル電解質を積層し、リチウム張り合わせ銅箔を重ね合わせた後、圧力を加えて電池を作製した。
【0088】
(2)電池の評価
以上のように作製した電池を試料として、グラファイト粒子で被覆されたガルビノキシルラジカルの粒子からなる電極を正極、リチウム張り合わせ銅箔を負極として、0.1mAの定電流で放電を行った。その結果、2.3V付近に電圧平坦部が認められ、電池として動作していることが確認された。さらに、この電池を繰り返し充放電したところ、100サイクル後の容量は、初期容量の90%以上であり、この電池が充放電可能な二次電池として動作することが確認された。
【0089】
(実施例4)
(1)電池の作製
実施例1のガルビノキシルラジカルに代えて2,2,6,6−テトラメチルピペリジロキシラジカルを使う以外は実施例1と同様の方法で、2,2,6,6−テトラメチルピペリジロキシラジカルで被覆した平均粒径2.1μmのグラファイト粒子を得た。この2,2,6,6−テトラメチルピペリジロキシラジカルを含む粒子のESRスペクトルを測定したところ、そのスピン濃度は1020スピン/g以上であった。
この粒子を、実施例1と同様の方法でアルミニウム箔上に展開し、圧力をかけて2,2,6,6−テトラメチルピペリジロキシラジカルで被覆されたグラファイト粒子からなる電極層を形成した。
【0090】
次に、2,2,6,6−テトラメチルピペリジロキシラジカルで被覆されたグラファイト粒子からなる電極層を形成したアルミニウム箔上に、実施例1と同様にゲル電解質を積層し、リチウム張り合わせ銅箔を重ね合わせた後、圧力を加えて電池を作製した。
【0091】
(2)電池の評価
以上のように作製した電池を試料として、2,2,6,6−テトラメチルピペリジロキシラジカルで被覆されたグラファイト粒子からなる電極を正極、リチウム張り合わせ銅箔を負極として、0.1mAの定電流で放電を行った。その結果、3.5V付近に電圧平坦部が認められ、電池として動作していることが確認された。さらに、この電池を繰り返し充放電したところ、100サイクル後の容量は、初期容量の80%以上であり、この電池が充放電可能な二次電池として動作することが確認された。
【0092】
(実施例5)
(1)電池の作製
実施例1のガルビノキシルラジカルに代えて下記式(14)で表されるジフェニルピクリルヒドラジルラジカルを使う以外は実施例1と同様の方法で、ジフェニルピクリルヒドラジルラジカルで被覆した平均粒径2.1μmのグラファイト粒子を得た。このジフェニルピクリルヒドラジルラジカルを含む粒子のESRスペクトルを測定したところ、そのスピン濃度は1020スピン/g以上であった。
【0093】
【化7】
【0094】
この粒子を、実施例1と同様の方法でアルミニウム箔上に展開し、圧力をかけて、ジフェニルピクリルヒドラジルラジカルで被覆されたグラファイト粒子からなる電極層を形成した。
次に、ジフェニルピクリルヒドラジルラジカルで被覆されたグラファイト粒子からなる電極層を形成したアルミニウム箔上に、実施例1と同様にゲル電解質を積層し、リチウム張り合わせ銅箔を重ね合わせた後、圧力を加えて電池を作製した。
【0095】
(2)電池の評価
以上のように作製した電池を試料として、ジフェニルピクリルヒドラジルラジカルで被覆されたグラファイト粒子からなる電極層を正極、リチウム張り合わせ銅箔を負極として、0.1mAの定電流で放電を行った。その結果、2.6V付近に電圧平坦部が認められ、電池として動作していることが確認された。さらに、この電池を繰り返し充放電したところ、100サイクル後の容量は、初期容量の80%以上であり、この電池が充放電可能な二次電池として動作することが確認された。
【0096】
【発明の効果】
本発明によれば、少なくとも正極、負極、及び電解質を構成要素とし、電気化学的酸化反応及び還元反応の少なくとも一方の過程でラジカル化合物を生成する有機化合物を活物質として含む粒子を有する電池において、この粒子を少なくとも2以上の組成の領域からなる複合物とすることにより、充放電時のエネルギー密度が高く、大容量で安定性に優れた電池を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の電池の一実施形態を示す正面断面図である。
【図2】本発明の電池の一実施形態を示す中央縦断面図である。
【図3】本発明の複合物の構成の一例を示す模式図である。
【符号の説明】
1 負極層
2 負極集電体
3 正極層
4 正極集電体
5 セパレーター
6 封止材
7 リード端子
8 ラジカル化合物
9 導電性物質
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a battery including at least a positive electrode, a negative electrode, and an electrolyte as constituent elements. More specifically, a battery having particles including, as active materials, an organic compound that includes at least a positive electrode, a negative electrode, and an electrolyte, and generates a radical compound in at least one of an electrochemical oxidation reaction and a reduction reaction. The present invention relates to a secondary battery in which the particles are a composite composed of at least two composition regions, have a high energy density, a large capacity, and excellent stability.
[0002]
[Prior art]
Batteries are obtained by converting chemical energy into electrical energy using the oxidation-reduction reaction that occurs at the positive electrode and negative electrode, or converting electrical energy into chemical energy for storage. It is used as.
In recent years, with the rapid market expansion of notebook personal computers, mobile phones and the like, there is an increasing demand for small high-capacity batteries with high energy density used for these. In order to meet this demand, a secondary battery using an alkali metal ion such as lithium ion as a charge carrier and utilizing an electrochemical reaction accompanying the charge transfer has been developed. Among these, lithium ion secondary batteries are used in various electronic devices as high-capacity batteries having excellent stability and high energy density.
[0003]
In such a lithium ion secondary battery, for example, a lithium-containing transition metal oxide is used as a positive electrode as an active material, and a carbon material is used as a negative electrode, and the insertion reaction and desorption reaction of lithium ions with respect to these active materials are utilized. Charging and discharging.
[0004]
However, since this lithium ion secondary battery uses a transition metal oxide having a large specific gravity as the positive electrode active material, there is a problem that the battery capacity per unit mass is not sufficient. That is, it is difficult in principle to manufacture a large capacity battery.
[0005]
Thus, attempts have been made to develop large-capacity batteries using lighter electrode materials. For example, US Pat. Nos. 4,833,048 and 2715778 disclose batteries using an organic compound having a disulfide bond as an active material for a positive electrode. This utilizes the electrochemical redox reaction of organic compounds based on the formation and dissociation of disulfide bonds as the principle of the battery.
[0006]
However, since this battery uses an organic compound mainly composed of an element having a small specific gravity such as sulfur or carbon as an electrode material, it has a certain effect in that it constitutes a high-capacity battery having a high energy density. There is a problem that the recombination efficiency of the dissociated disulfide bond is small and the stability in the charged state or the discharged state is insufficient.
Furthermore, since an organic compound having a disulfide bond does not have electronic conductivity, it has been necessary to use it in combination with other conductive materials such as polyaniline and conductive carbon.
[0007]
Similarly, a battery using a conductive polymer as an electrode material has been proposed as a battery using an organic compound as an active material. This is a battery based on the principle of doping and dedoping reactions of electrolyte ions on conductive polymers.
The dope reaction described here is defined as a reaction that stabilizes excitons such as charged solitons and polarons generated by a reaction of electrochemically oxidizing or reducing a conductive polymer with a counter ion. On the other hand, the dedoping reaction is defined as a reverse reaction of the doping reaction, that is, a reaction in which exciton stabilized by a counter ion is electrochemically oxidized or reduced.
[0008]
US Pat. No. 4,442,187 discloses a battery using such a conductive polymer as a positive or negative active material. This battery is expected to be developed as a large-capacity battery because an organic compound composed only of an element having a small specific gravity such as carbon or nitrogen is used as an electrode material.
[0009]
However, conductive polymers have the property that excitons generated by electrochemical redox reactions are delocalized over a wide range of π-electron conjugated systems and interact with each other. Since the concentration is also limited, there is a problem that the capacity of the battery is limited.
[0010]
Therefore, in a battery using such a conductive polymer as an electrode material, a certain effect can be obtained in terms of reducing the weight of the battery, but it is still insufficient in terms of increasing the capacity of the battery.
[0011]
On the other hand, methods for synthesizing organic compounds such as polymer compounds using radical reactions have been developed and used for developing various materials.
However, radical reactions are generally more reactive than other chemical reactions and are difficult to control, so that application to energy storage devices such as batteries has not been studied in detail.
[0012]
Here, the radical reaction is a chemical reaction involving a radical. In particular, in the present invention, an organic compound which is a non-radical compound is a radical compound in at least one of an electrochemical oxidation reaction and a reduction reaction. And a reaction in which the generated radical compound is converted to a non-radical compound.
[0013]
As described above, various types of batteries have been proposed in order to realize a large-capacity battery, but a battery having a high energy density, a large capacity and excellent stability has not yet been established.
In addition, studies on applying the above radical reaction to energy storage devices such as batteries have not been actively carried out because radical compounds are unstable.
[0014]
[Problems to be solved by the invention]
Thus, as a result of intensive studies, the present inventors have determined that particles containing an organic compound that generates a radical compound by the radical reaction in at least one of an electrochemical oxidation reaction and a reduction reaction that are charge / discharge reactions of the battery, It was found that the particles can be used as an active material for an energy storage device such as a battery by forming a composite composed of at least two regions having a composition.
[0015]
Therefore, in the present invention, a particle containing an organic compound that generates such a radical compound as an active material is made into a composite composed of at least two regions of composition, so that the energy density is high, the capacity is high, and the stability is high. The purpose is to provide an excellent battery.
[0016]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, according to the present invention, at least a positive electrode, a negative electrode, and an electrolyte are used as constituent elements, and an organic compound that generates a radical compound in at least one of an electrochemical oxidation reaction and a reduction reaction is used as an active material. There is provided a battery having a particle including the battery, wherein the particle is a composite composed of at least two regions having a composition.
[0017]
By comprising in this way, since a radical compound can be comprised only from elements with small specific gravity like carbon, hydrogen, nitrogen, oxygen, etc., the energy density per unit mass is high, and it was excellent in stability with a large capacity. A battery can be obtained easily.
[0018]
In addition, when the above particles are a composite composed of at least two regions of composition, the decay of organic compounds that generate radical compounds in at least one of the electrochemical oxidation reaction and the reduction reaction and the dissolution in the electrolyte are suppressed. As a result, by performing the oxidation-reduction reaction in a state where the organic compound that generates the radical compound is stable, compared to the case of the organic compound that generates the radical compound alone or the case where two or more compositions are uniformly mixed, It is conceivable that the capacity is reduced due to the charge / discharge cycle, and charge / discharge at a higher current density is possible, so that the battery operates efficiently.
[0019]
In the present invention, the radical compound is defined as a chemical species having an unpaired electron that does not form an electron pair, that is, a compound having a radical. Radicals are not zero in spin nuclear momentum and have various magnetic properties such as paramagnetism. In general, chemical bonds within molecules are caused by thermal decomposition, photolysis, radiolysis, and electron transfer. Generated by cutting. In addition, radicals are insulators with extremely high chemical reactivity, and their reactivity changes quickly by reaction between radicals or other stable molecules. The presence of such radicals can be observed by measuring an electron spin resonance spectrum (hereinafter referred to as an ESR spectrum) or the like.
[0020]
In the present invention, the electrochemical oxidation reaction and the reduction reaction are short-circuited by applying a voltage or applying a load to an active material electrically connected to an electrode disposed in an electrolyte solution. It is defined as a reaction involving the transfer of electrons that sometimes proceeds.
[0021]
Therefore, a battery having particles containing as an active material an organic compound that generates a radical compound in at least one of the electrochemical oxidation reaction and the reduction reaction of the present invention is a voltage applied to or applied to the active material. It is defined as a battery having particles containing an organic compound that generates a radical compound by a reaction involving the transfer of electrons that proceeds when short-circuited.
[0022]
In constructing the battery of the present invention, the spin concentration in the ESR spectrum of the radical compound is 10 20 Spin / g or more is preferable.
By setting such a spin concentration, a battery having high energy density, large capacity and excellent stability can be easily obtained.
[0023]
Further, in constituting the battery of the present invention, the particles are formed by integrating an organic compound that generates a radical compound in at least one of the electrochemical oxidation reaction and the reduction reaction and the electron conductive conductive material. It is preferable that the particles are made into particles.
By comprising in this way, an electrochemical oxidation reaction and a reduction reaction advance smoothly, and it can be set as a high output battery.
[0024]
Further, in constituting the battery of the present invention, it is preferable that the particles are integrated using a polymer substance as a binder.
By using a polymer substance as the binder, the binding is maintained even when the particles are deformed during battery operation, and the cycle life is excellent.
[0025]
Further, in constituting the battery of the present invention, in the particles, the electronically conductive substance is coated with an organic compound that generates a radical compound in at least one of the electrochemical oxidation reaction and the reduction reaction. It is preferable.
By covering in this way, the surface area of the organic compound that generates the radical compound can be increased, so that a battery with a large output density can be obtained.
[0026]
Further, in constituting the battery of the present invention, in the particles, an organic compound that generates a radical compound in at least one of the electrochemical oxidation reaction and the reduction reaction is coated with the electron conductive conductive material. It is preferable.
By covering in this way, a low impedance battery having a small internal resistance can be obtained.
[0027]
Further, in constituting the battery of the present invention, it is preferable that the electron conductive conductive material is a conductive polymer.
By using a conductive polymer, adhesion with an organic compound that generates a radical compound is improved, and a battery with a large output density can be obtained.
[0028]
In constituting the battery of the present invention, it is preferable that the electron conductive material is graphite or amorphous carbon.
By using graphite or amorphous carbon, a low impedance battery with low internal resistance can be obtained.
[0029]
Moreover, in constituting the battery of the present invention, the average particle size of the particles is preferably 0.1 to 500 μm.
By setting it as such an average particle diameter, the large capacity battery excellent in stability can be obtained easily.
[0030]
In constituting the battery of the present invention, it is preferable that the battery is a lithium secondary battery.
By comprising in this way, the high capacity | capacitance battery excellent in stability can be obtained.
[0031]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
For example, as shown in FIG. 1, the embodiment of the battery of the present invention has a structure in which a negative electrode layer 1 and a positive electrode layer 2 are superposed via a separator 5 containing an electrolyte. In the present invention, the negative electrode layer 1 or the positive electrode layer 2 has particles containing, as an active material, an organic compound that generates a radical compound in at least one of an electrochemical oxidation reaction and a reduction reaction. It consists of a composite having at least two compositions.
[0032]
FIG. 2 shows a cross-sectional view of the stacked battery, in which the negative electrode current collector 3, the negative electrode layer 1, the separator 5 containing an electrolyte, the positive electrode layer 2, and the positive electrode current collector 4 are sequentially stacked. It has a structure.
[0033]
In the present invention, the method for laminating the positive electrode layer and the negative electrode layer is not particularly limited, and a multilayer laminate, a combination of laminates on both sides of the current collector, a wound one, or the like can be used.
[0034]
(1) Active material
(1) Material 1 (radical compound)
In the present invention, the kind of the radical compound generated in at least one of the electrochemical oxidation reaction and the reduction reaction is not particularly limited, but the effect of the invention and the workability in forming the electrode layer are not limited. In particular, an organic compound including a structural unit represented by the following general formula (1) and general formula (2) or any one of the general formulas is preferable.
[0035]
[Chemical 1]
[0036]
[Substituent R in General Formula (1) 1 Is a substituted or unsubstituted alkylene group, alkenylene group, or arylene group, and X is an oxy radical group, a nitroxyl radical group, a sulfur radical group, a hydrazyl radical group, a carbon radical group, or a boron radical group. is there. ]
[0037]
[Chemical 2]
[0038]
[Substituent R in General Formula (2) 2 And R Three Are mutually independent and are a substituted or unsubstituted alkylene group, alkenylene group, or arylene group, and Y is a nitroxyl radical group, a sulfur radical group, a hydrazyl radical group, or a carbon radical group. ]
[0039]
Examples of such radical compounds include oxy radical compounds, nitroxyl radical compounds, carbon radical compounds, nitrogen radical compounds, boron radical compounds, and sulfur radical compounds.
[0040]
Specific examples of the oxy radical compound include aryloxy radical compounds such as the following general formulas (3) to (4) and semiquinone radical compounds such as the following general formula (5).
[0041]
[Chemical 3]
[0042]
[In the general formulas (3) to (5), the substituent R Four ~ R 7 Are independent of each other, and are a hydrogen atom, a substituted or unsubstituted aliphatic or aromatic hydrocarbon group, a halogen group, a hydroxyl group, a nitro group, a nitroso group, a cyano group, an alkoxy group, an aryloxy group, or an acyl group. is there. ]
[0043]
Specific examples of the nitroxyl radical compound include a radical compound having a piperidinoxy ring such as the following general formula (6), a radical compound having a pyrrolidinoxy ring such as the following general formula (7), and the following general formula (8 And a radical compound having a nitronyl nitroxide structure such as the following general formula (9).
[0044]
[Formula 4]
[0045]
[In the general formulas (6) to (9), R 8 ~ R Ten Is the same as the contents of the above general formulas (3) to (5). ]
[0046]
Specific examples of the nitrogen radical compound include a radical compound having a trivalent hydrazyl group as represented by the following general formula (10), a radical compound having a trivalent ferdazyl group as represented by the following general formula (11), And a radical compound having an aminotriazine structure such as the following general formula (12).
[0047]
[Chemical formula 5]
[0048]
[In the general formulas (10) to (12), R 11 ~ R 19 Is the same as the contents of the above general formulas (3) to (5). ]
[0049]
In the present invention, the production of a battery using the radical compound as described above as an active material for the electrode is also converted into the radical compound in at least one of the electrochemical oxidation reaction and the reduction reaction. A battery can also be manufactured using a non-radical compound.
[0050]
In the present invention, the concentration of the generated radical is not particularly limited, but the spin concentration in the ESR spectrum is 10 20 Spin / g or more is preferable. This is because the concentration of radicals is 10 20 This is because if the spin / g is not reached, the capacity of the battery becomes small, and the effect of the present invention of increasing the battery capacity may not be obtained. Therefore, from the viewpoint of increasing the capacity of the battery, the concentration of radicals is set to 20 -10 twenty three A value within the range of spin / g is more preferable.
[0051]
However, in the present invention, a compound having delocalized electrons is not included in the radical compound even if it is an organic compound that can obtain a signal in the ESR spectrum. Examples of such compounds include conductive polymers that form solitons or polarons. These compounds generally have a low spin concentration of 10 20 Spin / g or less.
[0052]
In the present invention, an organic compound that generates a radical compound in at least one of an electrochemical oxidation reaction and a reduction reaction can be used as an active material of the positive electrode and the negative electrode or one of the electrodes. From the viewpoint, it is particularly preferable to use as a positive electrode active material.
[0053]
(2) Material 2
Moreover, when using these radical compounds as an active material of any one of a positive electrode and a negative electrode, the material listed below can be used as an active material of another electrode. That is, when an organic compound that generates a radical compound is used as the active material for the negative electrode layer, metal oxide particles, a disulfide compound, a conductive polymer, and the like are used as the active material for the positive electrode layer. Here, as the metal oxide, for example, LiMnO 2 , Li x Mn 2 O Four Lithium manganate having a spinel structure such as (0 <x <2) or lithium manganate having a spinel structure, MnO 2 LiCoO 2 , LiNiO 2 Or Li x V 2 O Five (0 <x <2) and the like, and disulfide compounds such as dithioglycol, 2,5-dimercapto-1,3,4-thiadiazole, S-triazine-2,4,6-triol, etc. Examples of the polymer include polyacetylene, polyphenylene, polyaniline, polypyrrole and the like.
In this invention, these positive electrode materials can be used individually by 1 type or in combination of 2 or more types.
In the present invention, the above-described conventionally known active material and an organic compound that generates radicals can be mixed to form a composite active material.
[0054]
On the other hand, when an organic compound that generates a radical compound is used as the active material of the positive electrode layer, the active material of the negative electrode layer is a single type of graphite, amorphous carbon, lithium metal, lithium alloy, and conductive polymer. Alternatively, a combination of two or more types is used.
Also, these shapes are not particularly limited. For example, in addition to a thin film of lithium metal, a bulk shape, a powdered shape, a fiber shape, a flake shape, or the like may be used. it can.
[0055]
(2) Active material particles
(I) Composition
The battery of the present invention includes particles containing an organic compound that generates the radical compound as an active material (hereinafter, may be referred to as active material particles), and the particles are in a region having at least two compositions. It is comprised from the composite which consists of. In this composite, at least two kinds of compositions are combined to form one particle while maintaining the respective regions. In the present invention, the radical compound is generated as the composition of at least one region. Contains organic compounds.
Therefore, the composite is not included in which at least two or more compositions are mixed and each region is uniformly dispersed throughout.
[0056]
In the present invention, the composition of the region other than the region of the organic compound that generates the radical compound is not particularly limited, but in terms of the effect of the invention, the dissolution of the organic compound that generates the electron conductive conductive material and the radical compound is prevented. It is preferable to use materials such as agents, stabilizers, and immobilization carriers. Among these, examples of the electron conductive conductive material include conductive polymers such as graphite, amorphous carbon, metal, polyaniline and polypyrrole, or conductive organic such as tetracyanoquinodimethane-tetrathiafulvalene complex. A complex etc. are mentioned. Examples of the organic compound dissolution inhibitor and stabilizer that generate radical compounds include polymer compounds such as polyethylene, polyvinyl alcohol, polytetrafluoroethylene, and polyurethane. In addition, examples of the immobilization simple substance of the organic compound that generates the radical compound include the above-described polymer compound and zeolite.
[0057]
In the present invention, the mode of combination of at least two types of composition regions is not particularly limited, and each region is unevenly distributed and mosaic combination, and one region is covered with the other region. Such as a combination in which one region is surrounded by another small region, and a combination in which the other region is finely dispersed in one region. Is mentioned.
[0058]
Examples of such combinations are shown in FIGS. Here, (a) is a combination in which the region of the radical compound 8 is covered with the region of the conductive substance 9, (b) is a combination in which the region of the conductive substance 9 is covered with the region of the radical compound 8, and (c) is a radical. A combination in which the region of the compound 8 is surrounded by a small region of the conductive material 9, and (d) is a combination in which the region of the conductive material 9 is surrounded by a small region of the radical compound 8.
[0059]
(Ii) Integration
In the present invention, it is preferable that at least two or more composition regions constituting the active material particles are combined and integrated as described above. In this case, the integration method is not particularly limited, and a method in which two or more composition regions are simply brought into contact with each other, a method in which a polymer substance is used as a binder, and the like are integrated. Can be used. Examples of the polymer material used for the binder include, for example, acid-modified products of polyethylene and polypropylene, polymers such as polyvinyl alcohol, polyvinyl acetate, and polyurethane, and fluorine-based polymers such as tetrafluoroethylene and polyvinylidene fluoride. One kind alone or a combination of two or more kinds of molecules and the like can be mentioned.
[0060]
(Iii) Average particle size
In this invention, it is preferable that the average particle diameter of active material particle shall be 0.1-500 micrometers. This is because when the average particle size is less than 0.1 μm, the particles are likely to aggregate, and the internal resistance may increase due to insufficient mixing with the electrolyte. This is because it may be difficult to take out the capacity due to the low charge transfer rate from the inside of the substance particles.
For this reason, the average particle diameter of the active material particles is more preferably 0.1 to 50 μm, and further preferably 0.5 to 10 μm.
[0061]
(Iv) Composition ratio
In the present invention, the composition ratio of the active material particles is not particularly limited, but when the total weight of the active material particles is 100% by weight, the content of the organic compound that generates the radical compound is 10 to 99% by weight. % Is preferable. This is because when the content of the organic compound that generates the radical compound is less than 10% by weight, the capacity becomes small, and the characteristics of the present invention of a large-capacity battery may be lost. This is because if the ratio exceeds%, the internal resistance increases and the impedance may increase.
For this reason, the content of the organic compound that generates the radical compound is more preferably 50 to 99% by weight, and still more preferably 80 to 97% by weight.
[0062]
(3) Electrode constituent materials
In this invention, in order to perform an electrode reaction more smoothly, the conductive support material and resin binder which are used for the conventional battery can be used. Examples of such a conductive auxiliary material include carbonaceous fine particles such as acetylene black, fibers, and the like. Examples of the resin binder include polyvinylidene fluoride, vinylidene fluoride-hexafluoropropylene copolymer, styrene-butadiene copolymer elastomer, polypropylene, polyimide, and various urethanes.
[0063]
In the present invention, a current collector can be used to collect charges generated from the electrode active material, as in the conventional battery. As these materials, metal foils such as nickel, aluminum, copper, gold, silver, and stainless steel, metal flat plates, mesh electrodes, and carbon electrodes can be used. Further, such a current collector can have a catalytic effect.
[0064]
(4) Separator and sealing material
The separator 5 in the present invention prevents the positive electrode layer and the negative electrode layer from contacting each other, and a material such as a porous film or a nonwoven fabric can be used. Further, such a separator is preferably configured to contain an electrolyte.
However, when an ion conductive polymer is used as the electrolyte, the separator itself can be omitted.
Further, the sealing material 6 in the present invention is not particularly limited, and a conventionally known material used for a battery exterior is used.
[0065]
(5) Electrolyte
In the present invention, the electrolyte performs charge carrier transport between both electrodes of the negative electrode layer 1 and the positive electrode layer 2. -Five -10 -1 It has an ionic conductivity of S / cm.
In the present invention, for example, an electrolyte solution in which an electrolyte salt is dissolved in a solvent can be used as the electrolyte. As such an electrolyte salt, for example, LiPF 6 LiClO Four , LiBF Four , LiCF Three SO Three , Li (CF Three SO 2 ) 2 N, Li (C 2 F Five SO 2 ) 2 N, Li (CF Three SO 2 ) Three C, Li (C 2 F Five SO 2 ) Three Conventionally known materials such as C can be used.
Examples of the electrolyte salt solvent include ethylene carbonate, propylene carbonate, dimethyl carbonate, diethyl carbonate, methyl ethyl carbonate, γ-butyrolactone, tetrahydrofuran, dioxolane, sulfolane, dimethylformamide, dimethylacetamide, and N-methyl-2-pyrrolidone. An organic solvent such as can be used. In the present invention, these solvents can be used alone or as a mixed solvent of two or more.
[0066]
Furthermore, in the present invention, a solid electrolyte can be used as the electrolyte. Examples of the polymer compound used in such a solid electrolyte include polyvinylidene fluoride, vinylidene fluoride-hexafluoropropylene copolymer, vinylidene fluoride-ethylene copolymer, vinylidene fluoride-monofluoroethylene copolymer, and fluorine. Vinylidene fluoride-trifluoroethylene copolymer, vinylidene fluoride-tetrafluoroethylene copolymer, vinylidene fluoride-hexafluoropropylene-tetrafluoroethylene terpolymer, etc., and acrylonitrile-methyl Methacrylate copolymer, acrylonitrile-methyl acrylate copolymer, acrylonitrile-ethyl methacrylate copolymer, acrylonitrile-ethyl acrylate copolymer, acrylonitrile-methacrylic acid copolymer, acrylonitrile- Acrylic acid copolymers, acrylonitrile - acrylonitrile polymers such as vinyl acetate copolymer, further polyethylene oxide, ethylene oxide - propylene oxide copolymers, and polymers of these acrylates body or methacrylate body thereof. The solid electrolyte may be a gel obtained by adding an electrolytic solution to these polymer compounds, or may be used as it is with only the polymer compound.
[0067]
(6) Shape
Further, the shape of the battery is not particularly limited, and can be applied to shapes of a cylindrical battery, a coin-type battery, a square battery, a film-type battery, a button-type battery, and the like.
[0068]
【Example】
Hereinafter, the present invention will be described more specifically, but the present invention is not limited to these examples.
[0069]
Example 1
(1) Battery production
In a dry box equipped with a gas purifier, 100 mg of galvinoxyl radical represented by the following formula (13) is placed in a glass container under an argon gas atmosphere, and 200 mg of tetrahydrofuran (hereinafter abbreviated as THF) is added. And dissolved. To this solution, 10 mg of graphite particles having an average particle diameter of 2 μm was added, and the whole was developed on a filter paper to evaporate THF. Thereafter, solid matter on the filter paper was scraped off, and graphite particles having an average particle diameter of 2.1 μm coated with galvinoxyl radicals were obtained. When the ESR spectrum of this particle was measured, its spin concentration was 10 20 Spin / g or more.
[0070]
[Chemical 6]
[0071]
Subsequently, 110 mg of the obtained particles were placed on the surface of an aluminum foil (area: 1.5 cm × 1.5 cm, thickness: 100 μm) provided with a lead wire, and the entire thickness was uniform with a wire bar. When developed and covered with a Teflon plate and pressurized at a pressure of 20 MPa, an electrode layer made of graphite particles coated with galvinoxyl radicals was formed on the aluminum foil.
[0072]
Next, 600 mg of vinylidene fluoride-hexafluoropropylene copolymer and 1 mol / l LiPF 6 Was mixed with 1,400 mg of an electrolytic solution composed of a dimethyl carbonate solution containing an electrolyte salt, and 11.3 g of THF was further added thereto, followed by stirring at room temperature. After the vinylidene fluoride-hexafluoropropylene copolymer is dissolved, this solution is applied onto a stepped glass plate, left to stand at room temperature for 1 hour, and THF is naturally dried, and a gel electrolyte having a thickness of 1 mm is cast. A film (hereinafter referred to as a gel electrolyte membrane) was obtained.
[0073]
Next, a gel electrolyte film cut out to 20 mm × 20 mm is laminated on an aluminum foil on which an electrode layer made of graphite particles coated with galvinoxyl radicals is formed, and a lithium-laminated copper foil having a lead wire ( After stacking a lithium foil film thickness of 30 μm and a copper foil film thickness of 20 μm, the whole was sandwiched between 5 mm thick polytetrafluoroethylene sheets, and pressure was applied to produce a battery.
[0074]
(2) Battery evaluation
Using the battery produced as described above as a sample, discharging was performed at a constant current of 0.1 mA using an electrode made of graphite particles coated with galvinoxyl radical as a positive electrode and a lithium-laminated copper foil as a negative electrode. As a result, a flat voltage portion was observed in the vicinity of 2.3 V, and it was confirmed that the battery was operating. Furthermore, when this battery was repeatedly charged and discharged, the capacity after 100 cycles was 80% or more of the initial capacity, and it was confirmed that this battery operates as a chargeable / dischargeable secondary battery.
[0075]
(Comparative Example 1)
(1) Battery production
The galvinoxyl radical was dissolved in THF under the same conditions as in Example 1, and spread on the aluminum foil used in Example 1 without being coated with graphite particles as it was. When THF was evaporated and dried, the aluminum foil was obtained. An electrode layer made of galvinoxyl radical was formed on the top.
Next, a gel electrolyte membrane was laminated on the aluminum foil on which an electrode layer made of galvinoxyl radical was formed, and a lithium-laminated copper foil was laminated in the same manner as in Example 1, and then a battery was produced by applying pressure. .
[0076]
(2) Battery evaluation
Using the battery produced as described above as a sample, discharging was performed at a constant current of 0.1 mA using a positive electrode as an electrode made of galvinoxyl radical and a negative electrode as a copper foil laminated with lithium. As a result, it was confirmed that the voltage flat portion was slightly observed in the vicinity of 2.3 V and operated as a battery. However, the voltage immediately decreased after discharge and the capacity became 10% or less of Example 1. Furthermore, when this battery was repeatedly charged and discharged, the capacity after 10 cycles was 50% or less of the initial capacity, and it was confirmed that the secondary battery was inferior in cycle life.
[0077]
(Comparative Example 2)
(1) Battery production
1 mol / l LiPF as an electrolyte salt in the glass container of Example 1 6 Containing 1.5 g of THF, 100 mg of galvinoxyl radical was dissolved. To this solution, 10 mg of the graphite particles used in Example 1 and 1 mg of vinylidene fluoride-hexafluoropropylene copolymer were added to obtain a black slurry.
This slurry was spread on an aluminum foil (area: 1.5 cm × 1.5 cm, thickness: 100 μm) with lead wires, and the whole was made uniform with a wire bar, and then dried at room temperature. As a result, an electrode layer containing galvinoxyl radicals was formed on the aluminum foil. This electrode layer was presumed that graphite particles were dispersed in a medium composed of a vinylidene fluoride-hexafluoropropylene copolymer in which galvinoxyl radicals were uniformly dissolved.
[0078]
Next, a gel electrolyte was laminated on an aluminum foil on which an electrode layer containing galvinoxyl radicals was formed in the same manner as in Example 1, a lithium-laminated copper foil was overlaid, and then a pressure was applied to produce a battery.
[0079]
(2) Battery evaluation
Using the battery prepared as described above as a sample, discharging was performed at a constant current of 0.1 mA using an electrode layer containing a galvinoxyl radical as a positive electrode and a lithium-laminated copper foil as a negative electrode. As a result, a voltage flat portion was observed near 2.3 V, and it was confirmed that the device operated as a battery. Thereafter, the voltage gradually decreased, and the capacity became 70% or less of Example 1. Furthermore, when this battery was repeatedly charged and discharged, the capacity after 50 cycles was 50% or less of the initial capacity, and it was confirmed that the secondary battery was inferior in cycle life.
[0080]
(Comparative Example 3)
(1) Battery production
1 mol / l LiPF as an electrolyte salt in the glass container of Example 1 6 1.5 g of THF containing was added, and 10 mg of the graphite particles used in Example 1 and 6 mg of vinylidene fluoride-hexafluoropropylene copolymer were added thereto to obtain a black slurry containing no galvinoxyl radical. It was.
This slurry was spread on an aluminum foil by the same method as in Comparative Example 2 and dried to form an electrode layer.
Next, a gel electrolyte was laminated on the electrode layer on the aluminum foil in the same manner as in Example 1, and a lithium-laminated copper foil was overlaid, and then a pressure was applied to produce a battery.
[0081]
(2) Battery evaluation
Using the battery produced as described above as a sample, discharging was performed at a constant current of 0.1 mA using the electrode layer on the aluminum foil as the positive electrode and the lithium-laminated copper foil as the negative electrode. As a result, it was confirmed that the voltage flat portion was not recognized and the battery did not operate.
[0082]
(Example 2)
(1) Battery production
Polyaniline particles having an average particle size of 2.2 μm coated with galvinoxyl radicals were obtained in the same manner as in Example 1 except that polyaniline powder having an average particle size of 2 μm was used instead of the graphite powder of Example 1. When the ESR spectrum of the polyaniline particles was measured, the spin concentration was 10 20 Spin / g or more.
[0083]
The particles were spread on an aluminum foil in the same manner as in Example 1, and pressure was applied to form an electrode layer composed of polyaniline particles coated with galvinoxyl radicals.
Next, a gel electrolyte was laminated on the aluminum foil on which an electrode layer composed of polyaniline particles coated with galvinoxyl radicals was formed in the same manner as in Example 1, and after laminating a lithium-laminated copper foil, pressure was applied. A battery was produced.
[0084]
(2) Battery evaluation
Using the battery prepared as described above as a sample, discharging was performed at a constant current of 0.1 mA using an electrode made of polyaniline particles coated with galvinoxyl radical as a positive electrode and a lithium-laminated copper foil as a negative electrode. As a result, a flat voltage portion was observed in the vicinity of 2.3 V, and it was confirmed that the device was operating as a battery. Furthermore, when this battery was repeatedly charged and discharged, the capacity after 100 cycles was 80% or more of the initial capacity, and it was confirmed that this battery operates as a chargeable / dischargeable secondary battery.
[0085]
Example 3
(1) Battery production
1 mol / l LiPF as an electrolyte salt in the glass container of Example 1 6 Containing 1.5 g of THF, 100 mg of galvinoxyl radical was dissolved. To this solution, 600 mg of vinylidene fluoride-hexafluoropropylene copolymer used in Example 1 was added to form a slurry. This slurry was poured into a large amount of water containing 0.1% by weight of a non-ionic surfactant (manufactured by Kao Corporation, Emulgen 109P (trade name)), stirred vigorously, and galvinoxyl radical and vinylidene fluoride. -A dispersion of particles made of hexafluoropropylene copolymer was prepared.
[0086]
Next, graphite particles having an average particle size of 0.1 μm were put into this dispersion and allowed to stand for 12 hours. As a result, particles composed of galvinoxyl radical and vinylidene fluoride-hexafluoropropylene copolymer, and graphite particles Precipitated. Next, the supernatant was removed, and the remaining slurry was spread on a filter paper to evaporate THF. Thereafter, solid matter was scraped off from the surface of the filter paper, and particles having an average particle diameter of 5 μm whose surface was coated with fine graphite particles were obtained. This particle contains a galvinoxyl radical, and when the ESR spectrum is measured, the spin concentration is 10. 20 Spin / g or more.
The particles were spread on an aluminum foil in the same manner as in Example 1, and an electrode layer composed of galvinoxyl radicals coated with graphite particles was formed by applying pressure.
[0087]
Next, a gel electrolyte was laminated on an aluminum foil formed with an electrode layer composed of galvinoxyl radical particles coated with graphite particles in the same manner as in Example 1, and after laminating a lithium-laminated copper foil, pressure was applied. In addition, a battery was produced.
[0088]
(2) Battery evaluation
Using the battery produced as described above as a sample, discharge was performed at a constant current of 0.1 mA using an electrode made of galvinoxyl radical particles coated with graphite particles as a positive electrode and a lithium-laminated copper foil as a negative electrode. As a result, a flat voltage portion was observed in the vicinity of 2.3 V, and it was confirmed that the device was operating as a battery. Furthermore, when this battery was repeatedly charged and discharged, the capacity after 100 cycles was 90% or more of the initial capacity, and it was confirmed that this battery operates as a chargeable / dischargeable secondary battery.
[0089]
Example 4
(1) Battery production
2,2,6,6-Tetramethylpiperidi is obtained in the same manner as in Example 1 except that 2,2,6,6-tetramethylpiperidyloxy radical is used in place of the galvinoxyl radical of Example 1. Graphite particles having an average particle diameter of 2.1 μm coated with roxy radicals were obtained. When the ESR spectrum of the particles containing 2,2,6,6-tetramethylpiperidyloxy radical was measured, the spin concentration was 10 20 Spin / g or more.
The particles were spread on an aluminum foil in the same manner as in Example 1, and an electrode layer composed of graphite particles coated with 2,2,6,6-tetramethylpiperidyloxy radical was formed by applying pressure. .
[0090]
Next, a gel electrolyte was laminated on the aluminum foil on which the electrode layer made of graphite particles coated with 2,2,6,6-tetramethylpiperidyloxy radical was formed in the same manner as in Example 1, and lithium-laminated copper After overlapping the foils, pressure was applied to produce a battery.
[0091]
(2) Battery evaluation
Using the battery produced as described above as a sample, an electrode made of graphite particles coated with 2,2,6,6-tetramethylpiperidyloxy radical was used as a positive electrode, and a lithium-bonded copper foil as a negative electrode, and a constant current of 0.1 mA was used. Discharge was performed with current. As a result, a flat voltage portion was observed in the vicinity of 3.5 V, and it was confirmed that the device was operating as a battery. Furthermore, when this battery was repeatedly charged and discharged, the capacity after 100 cycles was 80% or more of the initial capacity, and it was confirmed that this battery operates as a chargeable / dischargeable secondary battery.
[0092]
(Example 5)
(1) Battery production
Average grains coated with diphenylpicrylhydrazyl radical in the same manner as in Example 1 except that diphenylpicrylhydrazyl radical represented by the following formula (14) is used instead of galvinoxyl radical in Example 1. Graphite particles having a diameter of 2.1 μm were obtained. When the ESR spectrum of the particle containing the diphenylpicrylhydrazyl radical was measured, the spin concentration was 10 20 Spin / g or more.
[0093]
[Chemical 7]
[0094]
The particles were spread on an aluminum foil in the same manner as in Example 1, and pressure was applied to form an electrode layer composed of graphite particles coated with diphenylpicrylhydrazyl radical.
Next, on the aluminum foil in which the electrode layer made of graphite particles coated with diphenylpicrylhydrazyl radical was formed, the gel electrolyte was laminated in the same manner as in Example 1, and the lithium-laminated copper foil was overlaid. To prepare a battery.
[0095]
(2) Battery evaluation
Using the battery produced as described above as a sample, discharge was performed at a constant current of 0.1 mA using an electrode layer made of graphite particles coated with diphenylpicrylhydrazyl radical as a positive electrode and a lithium-laminated copper foil as a negative electrode. As a result, a flat voltage portion was observed in the vicinity of 2.6 V, and it was confirmed that the device was operating as a battery. Furthermore, when this battery was repeatedly charged and discharged, the capacity after 100 cycles was 80% or more of the initial capacity, and it was confirmed that this battery operates as a chargeable / dischargeable secondary battery.
[0096]
【The invention's effect】
According to the present invention, in a battery having particles containing an organic compound as an active material, which includes at least a positive electrode, a negative electrode, and an electrolyte as components, and generates an organic compound in at least one of an electrochemical oxidation reaction and a reduction reaction. By using these particles as a composite composed of at least two regions of composition, a battery having high energy density during charge / discharge, large capacity and excellent stability can be provided.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a front sectional view showing an embodiment of a battery of the present invention.
FIG. 2 is a central longitudinal sectional view showing one embodiment of a battery of the present invention.
FIG. 3 is a schematic view showing an example of the structure of the composite of the present invention.
[Explanation of symbols]
1 Negative electrode layer
2 Negative electrode current collector
3 Positive electrode layer
4 Positive current collector
5 Separator
6 Sealing material
7 Lead terminal
8 Radical compounds
9 Conductive substances

Claims (12)

少なくとも正極、負極、及び電解質を構成要素とし、電気化学的酸化反応及び還元反応の少なくとも一方の過程でラジカル化合物を生成する有機化合物を活物質として含む粒子を有する電池であって、前記粒子が少なくとも2以上の組成の領域からなる複合物であり、
前記粒子が、前記電気化学的酸化反応及び還元反応の少なくとも一方の過程でラジカル化合物を生成する有機化合物と、電子伝導性の導電性物質とが一体化した粒子であることを特徴とする二次電池。
A battery comprising particles containing, as active materials, an organic compound that includes at least a positive electrode, a negative electrode, and an electrolyte, and that generates a radical compound in at least one of an electrochemical oxidation reaction and a reduction reaction. Ri composite der consisting region of two or more compositions,
The secondary particles, wherein the particles are particles in which an organic compound that generates a radical compound in at least one of the electrochemical oxidation reaction and the reduction reaction and an electron conductive conductive material are integrated. battery.
前記ラジカル化合物が、オキシラジカル化合物、ニトロキシルラジカル化合物、炭素ラジカル化合物、窒素ラジカル化合物、ホウ素ラジカル化合物、および、硫黄ラジカル化合物からなる群から選択されることを特徴とする請求項1に記載の二次電池。2. The radical according to claim 1, wherein the radical compound is selected from the group consisting of an oxy radical compound, a nitroxyl radical compound, a carbon radical compound, a nitrogen radical compound, a boron radical compound, and a sulfur radical compound. Next battery. 前記ラジカル化合物の電子スピン共鳴スペクトルにおけるスピン濃度が、1020スピン/g以上であることを特徴とする請求項1に記載の二次電池。The secondary battery according to claim 1, wherein the spin concentration of the radical compound in an electron spin resonance spectrum is 10 20 spins / g or more. 前記粒子が、高分子物質を結着材として用い一体化してあることを特徴とする請求項に記載の二次電池。The secondary battery according to claim 1 , wherein the particles are integrated using a polymer substance as a binder. 前記一体化した粒子において、前記電子伝導性の導電性物質が、前記電気化学的酸化反応及び還元反応の少なくとも一方の過程でラジカル化合物を生成する有機化合物で被覆してあることを特徴とする請求項に記載の二次電池。The integrated particle is characterized in that the electronically conductive substance is coated with an organic compound that generates a radical compound in at least one of the electrochemical oxidation reaction and the reduction reaction. Item 11. The secondary battery according to Item 1 . 前記一体化した粒子において、前記電気化学的酸化反応及び還元反応の少なくとも一方の過程でラジカル化合物を生成する有機化合物が、前記電子伝導性の導電性物質で被覆してあることを特徴とする請求項に記載の二次電池。The integrated particle is characterized in that an organic compound that generates a radical compound in at least one of the electrochemical oxidation reaction and the reduction reaction is coated with the electron conductive conductive material. Item 11. The secondary battery according to Item 1 . 前記電子伝導性の導電性物質が、導電性高分子であることを特徴とする請求項に記載の二次電池。The secondary battery according to claim 1 , wherein the electron conductive conductive material is a conductive polymer. 前記電子伝導性の導電性物質が、グラファイト又は非晶質カーボンであることを特徴とする請求項に記載の二次電池。The secondary battery according to claim 1 , wherein the electronically conductive material is graphite or amorphous carbon. 前記粒子の平均粒径が0.1〜500μmであることを特徴とする請求項に記載の二次電池。The secondary battery according to claim 1 , wherein an average particle diameter of the particles is 0.1 to 500 μm. 前記二次電池がリチウム二次電池であることを特徴とする請求項に記載の二次電池。The secondary battery according to claim 1 , wherein the secondary battery is a lithium secondary battery. 前記ラジカル化合物が、下記式(13)
で表されるガルビノキシルラジカル、2,2,6,6−テトラメチルピペリジロキシラジカルで被覆されたグラファイト粒子、および、下記式(14)
で表されるジフェニルピクリルヒドラジルラジカルからなる群から選択されることを特徴とする請求項2に記載の二次電池。
The radical compound is represented by the following formula (13):
And graphite particles coated with 2,2,6,6-tetramethylpiperidyloxy radical, and the following formula (14):
The secondary battery according to claim 2, wherein the secondary battery is selected from the group consisting of diphenylpicrylhydrazyl radicals represented by:
前記複合物が、下記式(13)The composite is represented by the following formula (13):
で表されるガルビノキシルラジカルで被覆されたグラファイト粒子、前記式(13)で表されるガルビノキシルラジカルで被覆されたポリアニリン粒子、グラファイト粒子で被覆された前記式(13)で表されるガルビノキシラジカルを含む粒子、2,2,6,6−テトラメチルピペリジロキシラジカルで被覆されたグラファイト粒子、および、下記式(14)Graphite particles coated with a galvinoxyl radical represented by the formula, polyaniline particles coated with a galvinoxyl radical represented by the formula (13), and represented by the formula (13) coated with graphite particles. Particles containing galvinoxy radical, graphite particles coated with 2,2,6,6-tetramethylpiperidyloxy radical, and the following formula (14)
で表されるジフェニルピクリルヒドラジルラジカルで被覆されたグラファイト粒子からなる群から選択されることを特徴とする請求項1に記載の二次電池。The secondary battery according to claim 1, wherein the secondary battery is selected from the group consisting of graphite particles coated with a diphenylpicrylhydrazyl radical represented by:
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